Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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RÉACTEUR A CHAUFFAGE ÉLECTRIQUE POUR LE REFORMAGE
EN PHASE GAZEUSE
DOMAINE DE L'INVENTION
Le champ d'application de cette invention réside dans l'utilisation de
l'électricité pour réaliser le reformage notamment de gaz naturels, de gaz
organiques, d'hydrocarbures légers ou de biogaz, en vue de leur conversion
particulièrement en gaz de synthèse, c'est-à-dire en mélanges à base notamment
de monoxyde de carbone, dioxyde de carbone et d'hydrogène pouvant être
utilisés, entre autres, pour la production de produits chimiques de base tels
que
le méthanol et le diméthyléther. La présente invention s'inscrit par ailleurs
comme une option favorable à la stabilisation des émissions de gaz à effet de
serre (GES), en ce sens que le réacteur électrique de reformage dont fait
l'objet
ladite invention peut être alimenter notamment par du gaz carbonique
(consommation de gaz carbonique).
ART ANTÉRIEUR
Il est connu depuis 1834 que l'on peut'produire un mélange gazeux combustible,
appelé gaz de synthèse, composé des molécules simples de monoxyde carbone
et d'hydrogène par réaction à haute température du charbon avec de la vapeur
d'eau. Ce gaz est utilisé depuis longtemps pour le chauffage ( city gas )
ainsi
que pour la synthèse de produits de base dont l'ammoniac et le méthanol, de
même que pour la production d'hydrocarbures (réactions de Fischer-Tropsch).
Le gaz de synthèse est toujours utilisé comme intermédiaire chimique, mais il
est principalement produit à partir du gaz naturel qui, au fil des ans, se
substitua
avantageusement au charbon (Fauvarque, X, Le gaz de synthèse : De la
synthèse chimique à la production d'électricité , Info Chimie Magazine, n
427
- avril (2001), pp. 84-88).
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En principe, tous les produits hydrocarbonés dérivant des ressources fossiles
(charbon, pétrole, gaz naturel, etc.) ou de la biomasse peuvent être
transformés
en gaz de synthèse. En général, on utilise le reformage à la vapeur d'eau pour
les hydrocarbures légers (points d'ébullition inférieurs à 200 C) tel que
l'on en
retrouve dans le gaz naturel. Dans le cas des solides carbonés (charbon,
biomasse forestière, lignine, etc.) et des hydrocarbures lourds (goudrons,
huiles
lourdes), on utilise respectivement la technique de gazéification et
d'oxydation
partielle à l'oxygène ou à l'air (Courty, P., Chaumette, P., Syngas : A
promising Feedstock in the Near Future , Energy Progress, vol. 7, n 1 (1987)
1,0 pp. 23-30).
Le gaz naturel est la matière première la plus utilisée pour la production de
gaz
de synthèse. Le méthane (CH4), principal constituant du gaz naturel, est une
molécule très stable et son utilisation pour la chimie, en dehors de quelques
réactions particulières (comme la chloration), passe par sa conversion en gaz
de
synthèse, laquelle est généralement réalisée par reformage à la vapeur d'eau.
On peut s'attendre dans les années à venir à une croissance de consommation de
gaz de synthèse à cause d'une demande accrue de l'industrie chimique d'une
part et en raison des perspectives de croissance du marché des carburants
synthétiques. Les gaz de synthèse utilisés comme intermédiaires chimiques sont
habituellement générés sur le lieu de production d'un produit final donné. La
croissance de consommation du gaz de synthèse passe par une utilisation
croissante des procédés ou des systèmes de génération de gaz de synthèse.
Une des applications les plus connues du gaz de synthèse réside dans la
production du méthanol. Il s'agit d'un produit chimique de base produit à très
grand volume. Le méthanol sert principalement à la production de
formaldéhyde, lui-même un intermédiaire chimique, et d'acide acétique.. Le
méthanol peut être considéré comme un combustible acceptable avec un pouvoir
calorifique supérieur (PCS) de 22,7 MJ/kg. En fait, étant liquide à la
température ambiante, il présente un grand potentiel d'utilisation en tant que
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carburant synthétique puisqu'on peut facilement le transporter et le stocker
(Borgwardt, R.H., Methanol Production from Biomass and Natural Gas as
Transportation Fuel , Ind. Eng. Chem. Res, vol. 37 (1998) pp. 3720-3767). Le
méthanol peut être utilisé en mélange dans l'essence ou même utilisé
directement comme carburant automobile. Il peut aussi servir de combustible de
chauffage. Enfin, le méthanol présente un grand potentiel d'utilisation dans
les
systèmes énergétiques à piles à combustible, et plus particulièrement dans les
piles à combustible à électrolyte polymère (Allard, M., Issues Associated
with
Widespread Utilization of Methanol , Soc. Automot. Eng. [Spec. Publ.] SP-
1505 (2000) pp. 33-36).
Aujourd'hui, le méthanol est surtout fabriqué à partir du gaz naturel. Les
sources de gaz naturel sont abondantes. A juste titre, on peut considérer le
méthanol comme étant un vecteur de transformation du gaz permettant
éventuellement d'amener les vastes réserves de gaz naturel à différents
marchés
d'utilisation de l'énergie. Dans ce contexte, l'utilisation répandue du
méthanol
en tant que carburant pourrait permettre l'introduction de manière indirecte
du
gaz naturel dans le marché du transport.
La production de gaz de synthèse représente près de 60 % des coûts de
production du méthanol. Ceci démontre la prépondérance du processus de
production du gaz de synthèse dans la fabrication du produit final. Le procédé
traditionnel basé sur le reformage à la vapeur d'eau est connu pour avoir une
efficacité énergétique de l'ordre de 64 % selon le PCS du méthane (Allard, M.,
Issues Associated with Widespread Utilization of Methanol , Soc. Autoinot.
Eng. [Spec. Publ.] SP-1505 (2000) pp. 33-36) avec production conjointe de
dioxyde de carbone comme sous-produit. Dans les faits, une partie de la
matière
première, soit le gaz naturel, est transformé dans le procédé. C'est pour
cette
raison qu'une partie du carbone initialement présent dans le gaz. naturel se
retrouve sous la forme de C02 rejeté dans l'atmosphère.
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En théorie, on peut produire des mélanges gazeux à base de monoxyde de
carbone et d'hydrogène, par un processus d'oxydation partielle du méthane tel
qu'illustré par la réaction bien connue suivante :
CH4 + 1/2 O2 - CO + 2 H2 ; OH = -36 kJ/mole (1).
Suivant cette réaction, on obtient un produit gazeux avec un rapport molaire
H2 / CO de 2. Cette réaction peut être mise à contribution pour la synthèse du
méthanol. La réaction (1) est exothermique : elle libère globalement 36 kJ
d'énergie par mole de méthane converti au lieu d'en requérir. Cette quantité
d'énergie est faible par rapport au pouvoir calorifique du méthane (pouvoir
calorifique inférieur (PCI) de près de 800 kJ par mole de méthane).
Toutefois, l'approche qui réside dans le reformage à la vapeur d'eau a été
préférée. A la base, ce reformage se produit selon la réaction:
CH4 + H20(g) -3 CO + 3 H2 ; AH = 206 kJ/molee (2).
Cette réaction de reformage est fortement endothermique. La quantité d'énergie
impliquée dans la réaction (2) correspond à près de 25 % du pouvoir
calorifique
inférieur du méthane. Le reformage à lui tout seul produit un gaz avec un
rapport molaire H2/CO de 3. C'est la raison pour laquelle, dans une usine de
production de méthanol misant sur le reformage, on doit voir à balancer le
mélange en augmentant la proportion de CO par rapport à H2. Pour ce faire, on
a souvent recours à la réaction suivante, appelée réaction du gaz à l'eau (
Water
Gas Shift ), en ajoutant du C02 dans le mélange:
C02 + H2 - CO + H20(g) ; AH = 41,2 kJ/mole (3)
En vertu de la réaction (3), le C02 est transformé en CO et il y a
consommation
d'hydrogène.
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En dépit des inconvénients déjà mentionnés, le reformage à la vapeur d'eau
demeure la réaction privilégiée pour la transformation en gaz de synthèse des
hydrocarbures légers en général. Ceci pour deux raisons : (i) on élimine le
recours à l'oxygène et (ii) on évite la formation de carbone (suie). La
formation
5 de carbone libre est connue pour causer de nombreux problèmes de
fonctionnement dans les réacteurs, notamment en ce qui concerne l'utilisation
de
réacteurs catalytiques. Le Tableau 1 présente un résumé des avantages et des
inconvénients reliés à chacune des deux approches.
Tableau 1
Comparaison entre les techniques traditionnelles de reformage
et l'oxydation partielle
Approche Avantages Inconvénients
proposée
Reformage à la = Procédé sécuritaire = Surplus d'hydrogène - recours à la
vapeur d'eau = Conversion réaction'du gaz à l'eau pour
poussée en balancer le rapport H2/CO
mélange CO/H2 = Réaction fortement endothermique
Oxydation = Réaction = Formation de suie
partielle exothermique = Utilisation d'oxygène pur requis
= Rapport H2/CO
mieux balancé
On peut envisager le recours aux deux types de reformage suivant une approche
intégrée pour la production d'un mélange mieux balancé. Ainsi, on peut mettre
à profit l'énergie libérée par l'oxydation partielle pour combler les besoins
énergétiques d'un processus de reformage endothermique.
Pour aider au balancement de la composition du gaz de synthèse destiné à la
production de méthanol, on a utilisé des réactifs gazeux. Ainsi, pour aider à
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diminuer le rapport H2 / CO, on peut avoir recours à l'injection de gaz
carbonique dans le milieu réactionnel de manière à réaliser la,réaction
suivante :
C02 + CH4 - CO + H2; AH = 247 kJ/mole (4)
Cette réaction est également endothermique, mais elle peut être mise à
contribution pour balancer le rapport H2 / CO requis pour la production du
méthanol. Pour réaliser ceci, on peut ajuster la proportion de C02 et de
vapeur
d'eau dans l'alimentation d'un processus de reformage suivant le schéma
réactionnel suivant :
CH4 + x C02 + y H2O + énergie -3 w CO + z H2 (5)
Une telle réaction présente des perspectives d'utilisation fort intéressantes
sur le
plan environnemental puisqu'elle laisse envisager la mise en place d'un
procédé
misant sur une utilisation du gaz carbonique comme matière première, lequel
est
connu comme étant un des principaux gaz à effet de serre.
Le reformage en présence de vapeur d'eau et/ou de gaz carbonique est un
procédé de transformation chimique qui requiert un apport d'énergie. Sur le
plan thermodynamique, il faut Une température supérieure à 700 C pour que les
réactions (2) et (4) puissent se produire. L'énergie requise peut être fournie
par
la combustion du gaz naturel lui-même. Dans ce cas, on brûle une partie du gaz
naturel dans un compartiment séparé du réacteur et on a recours à un chauffage
par contact avec une paroi.
Ainsi, le reformage du gaz naturel est généralement réalisé dans des réacteurs
chimiques à tubes contenant un catalyseur. Ces catalyseurs se retrouvent
généralement sous forme d'une poudre ou de granules faits de nickel sur
support
à base d'alumine. Les tubes contenant le catalyseur sont constitués d'un
alliage
métallique résistant (p. ex. : alliage nickel-chrome) à la corrosion et à la
chaleur
et sont assemblés suivant un design de type coquille et tube. Le reformage se
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produit à l'intérieur des tubes garnis de catalyseurs, alors que le chauffage
a lieu
par l'extérieur des tubes, mais à l'intérieur de la coquille. Typiquement, les
conditions de fonctionnement sont pour une température variant de 750 -
850 C sous une pression de 30 à 40 atmosphères.
Comme alternative au chauffage indirect par combustion, on peut envisager le
recours à un chauffage misant sur l'énergie électrique. Le recours à l'énergie
électrique comme source de chaleur au lieu du chauffage par combustion de gaz
naturel permet des avantages considérables, notamment en ce qui concerne la
facilité de contrôle et la possibilité de concevoir des réacteurs compacts et
modulaires. L'électricité est une forme d'énergie facile à contrôler car on
peut
avoir un contrôle rapide et direct sur le flux d'électrons à utiliser dans un
procédé donné. De plus, il est connu qu'avec l'électricité, on peut fournir
beaucoup d'énergie thermique à l'intérieur de volumes réduits. L'usage de
l'électricité . offre des opportunités d'utilisation de réacteurs compacts,
modulaires, très performants et à haute efficacité énergétique.
Un autre point important réside dans l'aspect environnemental. Lorsque
l'électricité provient d'une ressource non fossile, on peut considérer la mise
en
place de procédés de reformage sans émission nette de gaz carbonique. On peut
même envisager la mise en place d'un procédé qui soit un consommateur net de
C02. Le gaz carbonique est un gaz de combustion que l'on peut récupérer des
gaz de cheminée de procédés d'incinération ou de procédés industriels.
Il y a plusieurs façons d'utiliser directement l'électricité en tant que
source
d'énergie pour la réalisation de réactions thermochimiques comme le reformage.
Il est question ici de procédés spécialement adaptés au traitement de mélanges
gazeux à base de méthane et d'autres hydrocarbures en présence de gaz
carbonique et/ou de vapeur d'eau. Pour aider à un processus de reformage,
l'électricité peut être utilisée pour :
fournir un travail électrochimique par le recours à une force
électromotrice (champs électriques) ;
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- ioniser des gaz, ce qui permet la génération d'espèces chimiques telles
que des radicaux libres et des ions qui sont connus pour avoir un effet
catalytique sur des réactions chimiques ;
- fournir de la chaleur par effet Joule ; et
- induire des courants électriques dans un matériau.
Parmi les principaux types de réacteurs à utilisation directe de
l'électricité, on
retrouve les réacteurs électrochimiques (électrolyse à haute température), à
plasma thermique, à plasma froid et à chauffage ohmique.
Réacteur électrochimique
Le reformage du gaz naturel peut être réalisé à l'aide d'un processus
électrochimique misant sur l'utilisation d'un électrolyte à conduction
d'anions
oxygène (O-). La conduction ionique de ces électrolytes s'effectue par un
mécanisme de sauts de lacunes d'oxygène qui sont positivement chargées. On
peut donc mettre à contribution ce type de matériau pour réaliser le pompage
électrochimique d'atomes d'oxygène en vue de réaliser l'oxydation partielle
d'un hydrocarbure. Avec cette approche, de l'air peut être injecté directement
dans le compartiment cathodique des cellules électrolytiques. Sous l'action
d'un
champ électrique et d'un gradient de potentiel chimique, on peut faire en
sorte
qu'il y ait un flux d'oxygène traversant l'électrolyte solide (sous forme
d'anions) pour se retrouver finalement dans le compartiment anodique en vue de
le faire réagir avec le méthane (ou le gaz naturel).
Le matériau conducteur d'ions oxygène le plus connu est l'oxyde de zircone
stabilisé à l'yttrium. Ce produit est déjà commercialisé pour la fabrication
de
sondes à oxygène. De plus, il est déjà utilisé pour la construction de
prototypes
de piles a combustible de type SOFC ( Solid Oxide Fuel Cell ). En général,
des températures élevées de l'ordre de 600 à 1 000 C sont requises pour que
le
matériau soit suffisamment conducteur ('e > 0,05'n -lcm 1).
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L'utilisation d'un réacteur électrochimique à électrolyte céramique, est
mentionnée dans les travaux de Stoukides (Stoukides, M., Chiang, P.H.,
Alqahtany, H., Nonoxidative Methane Coupling and Synthesis Gas Production
in Solid Electrolyte Cells , Symposium on Natural Gas Upgrading II, San
Francisco, April 5-10 (1992), ACS, The Division of Petroleum Chemistry
Preprints, vol. 37, n 1, pp. 261-268) qui a expérimenté l'oxydation partielle
du
méthane avec l'ajout de vapeur d'eau (permettant la prévention de la formation
de carbone) en utilisant, entre autres, des électrodes de fer. Ces travaux sur
le
gaz de synthèse ont démontré que dans certaines conditions, le pompage
électrochimique de l'oxygène permet la conversion du gaz naturel en un
mélange de monoxyde carbone et d'hydrogène.
La publication internationale PCT n WO 00/17418 (Pham, A.Q., Wallman,
P.H., Glass, R.S., Natural Gas-Assisted Steam Electrolyzer , Publication PCT
n WO 00/17418 (2000)) propose une approche différente misant sur
l'utilisation d'un électrolyte à transport d'anions oxygène. Cette approche
combine l'électrolyse à haute température de la vapeur d'eau et l'oxydation
partielle d'un hydrocarbure. Le procédé permet de diminuer d'au moins 65 % la
consommation d'électricité par rapport aux électrolyseurs traditionnels. La
réaction globale est équivalente à celle du reformage à la vapeur d'eau.
Suivant
ce processus, il y a production d'hydrogène du côté de la cathode et il y a
production de mélanges CO / H2 du côté de l'anode.
Le concept d'oxydation partielle au moyen d'un flux contrôlé d'oxygène
traversant la paroi d'un électrolyte céramique à conduction d'oxygène
anionique
est déjà connu, mais il reste beaucoup à faire pour optimiser les performances
de
ces membranes céramiques. Il faut en particulier porter une attention à leur
tenue mécanique dans des conditions sévères de température ainsi qu'à leur
résistance chimique. Un savoir-faire a été développé depuis quelques années
sur
les piles à combustible à électrolytes solides (SOFC) et de nombreuses équipes
travaillent sur le sujet. A l'heure actuelle, de telles membranes ne sont pas
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encore disponibles pour des applications nécessitant de grandes surfaces comme
cela serait requis pour la production de gaz de synthèse.
Le réacteur à plasma d'arc
5 On entend par plasma d'arc, un arc électrique à courant continu ou
alternatif
établi entre deux électrodes au travers duquel on fait circuler un gaz (appelé
gaz
plasmagène). Celui-ci s'accélère et produit un jet de gaz contenant de la
matière
ionisée. Le plasma d'arc traditionnel fait partie des plasmas thermiques et
peut
être utilisé pour fins de chauffage surtout dans des applications nécessitant
de
10 hautes densités de puissance. Le jet en question est caractérisé par un
niveau de
température très élevé (supérieur à 3 000 K). Il en résulte que nous disposons
d'une source de chaleur radiante pouvant être mise à contribution pour le
chauffage rapide de différents produits, incluant des mélanges gazeux. Le
plasma d'arc peut être utilisé pour le chauffage direct et la dissociation de
réactifs de départ tels que le méthane et de la vapeur d'eau. A noter que la
présence de matière ionisée et l'émission de radiation ultraviolette que l'on
retrouve dans un plasma, peut contribuer à catalyser plusieurs réactions
chimiques. L'usage d'un plasma d'arc dans des réacteurs compacts destinés à la
production décentralisée (systèmes énergétiques chez un utilisateur) est
proposée par Bromberg (Bromberg, L., Cohn, D.R., Rabinovich, A., Plasma
Reformer-fuel Cell System for Decentralized Power Applications , Int. J.
Hydrogene Energy, vol. 22, n 1 (1997) pp. 83-94).
Dans la lignée des procédés industriels, mentionnons le procédé Hüls qui a
déjà
été utilisé à grande échelle depuis 1940 pour la production d'acétylène à
partir
d'hydrocarbures légers avec des réacteurs d'une puissance de 8 à 10 MW. En se
basant sur cette longue expérience, le procédé Hüls a été adapté pour réaliser
le
reformage du gaz naturel en présence de C02 ou de vapeur d'eau. On trouvera
dans la publication de Kaske, G., et al. (Kaske, G., Kerker, L., Müller, R.,
Hydrogen Production by the Hüls Plasma-Reforming Process , Hydrogen
Energy Progr. VI, vol. 1 (1986) pp. 185-190), une description de l'utilisation
de
la technologie Hüls pour la production de gaz de synthèse. Le réacteur réside
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dans l'utilisation de deux électrodes tubulaires refroidies à l'eau, le tube
d'anode
étant relié à la masse. Les réactifs gazeux sont injectés tangentiellement et
ce
mouvement du gaz fait en sorte que l'arc électrique est forcé de glisser dans
le
sens du flux gazeux. De cette façon, on a une influence contrôlée sur le
mouvement et la position des points de frappe de l'arc dans les électrodes, ce
qui
stabilise l'arc. Si le débit de gaz change, la longueur de l'arc et le voltage
sont
modifiés ce qui influence la puissance générée lorsque le courant est maintenu
constant.
Les avantages d'un procédé de reformage par plasma réside dans ce qui suit :
- on s'exempte de l'utilisation de catalyseurs ;
- le procédé de reformage peut se faire avec un faible rapport
H2O / carbone, ce qui évite le chauffage inutile de vapeur d'eau pour
réaliser le reformage ;
- l'enlèvement du soufre n'est pas nécessaire (le soufre est connu pour
empoisonner les catalyseurs de reformage conventionnels à base de
nickel) ; et
- le procédé est modulaire et offre la possibilité de petites unités
flexibles.
Cependant, le principal inconvénient d'une telle approche réside dans le coût
d'investissement et le recours à la transformation du courant électrique.
Le réacteur à arc glissant
Un procédé à arc électrique comme générateur d'espèces actives pour catalyser
le reformage en particulier est proposé par Czernichowski (Czemichowski, P.,
Czernichowski, A., Conversion of Hydrocarbons Assisted by Gliding Electric
Arcs in the Presence of Water Vapor and/or Carbon Dioxide , Brevet des États-
Unis n 5.993.761 (1999) ; Lesueur, H., Czernichowski, A., Chapelle, J.,
Electrically Assisted Partial Oxidation of Methane , Int. J. Hydrogen Energy,
vol. 19, n 2 (1994) pp. 139-144 ; Fridman, A., Nester, S., Kennedy, L.A.,
Saveliev, A., Mutaf-Yardimci, O., Gliding Arc Gas Discharge , Progess in
Energy and Combustion Science, vol. 25, n 2 (1999) pp. 211-231). Suivant
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cette approche, des décharges électriques produisent des espèces chimiques
actives (électrons, ions, atomes, radicaux libres, molécules excitées) de même
que des photons qui peuvent fortement catalyser la conversion directe.
Czernichowski propose l'utilisation de gliding arc formé d'arcs électriques
glissant le long de deux électrodes divergentes l'une par rapport à l'autre,
entre
lesquelles circule un gaz à grande vitesse (> 10 m/s). L'arc glissant part à
proximité de l'endroit entre les deux électrodes où la distance est la plus
faible,
et s'étend en glissant progressivement le long des électrodes dans la
direction de
l'écoulement jusqu'à ce qu'il s'éteigne ; au même moment, une nouvelle
décharge se forme à l'endroit initial. Le cheminement de la décharge est
déterminé par la géométrie des électrodes, les conditions de débit, et les
caractéristiques de l'électricité alimentée. Ce déplacement de points de
décharge sur des électrodes non refroidies prévient l'établissement d'un arc
permanent et la corrosion résultante.
Fridman et al. (Fridman, A., Nester, S., Kennedy, L.A., Saveliev, A., Mutaf-
Yardimci, O., Gliding Arc Gas Discharge , Progess in Energy and
Combustion Science, vol. 25, n 2 (1999) pp, 211-231), présentent une
discussion théorique sur l'utilisation d'un gliding arc . On y mentionne
les
principes de fonctionnement et les applications proposées pour la technologie.
Czernichowski présente une revue de l'état de l'art concernant l'utilisation
des
plasmas et des arcs électriques pour réaliser du reformage (Czernichowski, P.,
Czernichowski, A., Device with Plasma from Mobile Electric Dischages and
its Application to Convert Carbon Matter , Publication PCT n WO 00/13786
(2000)). La publication internationale PCT n WO 00/13786 précitée traite
d'une nouvelle génération de réacteur à arcs glissants appelé G1idArc-II. Dans
le nouveau concept, l'une des électrodes est mobile et est actionnée par un
mouvement mécanique.
Une des particularités intéressantes de la technologie du gliding arc est
le
fait que les électrodes peuvent être fabriquées en acier ordinaire. Un autre'
avantage relié à la technologie est la possibilité d'alimenter un tel réacteur
avec
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une grande gamme de compositions de gaz. La technologie du gliding arc
peut être utilisée pour réaliser du reformage en présence de C02 et/ou de
vapeur
d'eau. Elle peut également être utilisée pour réaliser l'oxydation partielle à
l'oxygène (ou l'air enrichi en oxygène). Étant donné que l'oxydation partielle
ne requiert pas d'énergie thermique en tant que tel, l'électricité est alors
essentiellement utilisée pour aider à accélérer le processus thermochimique
par
voie de catalyse par la génération d'espèces actives.
La technologie du gliding arc se présente comme une technique simple et
qui a été expérimentée avec succès en laboratoire. Cependant, cette
technologie
implique le recours à une électronique de puissance pour la transformation du
courant en vue d'obtenir les conditions requises pour le déploiement d'arcs
électriques, tout en s'assurant qu'il n'y ait pas de perturbations sur le
réseau
d'alimentation.
Le réacteur à plasma froid
Les plasmas thermiques peuvent concentrer de grandes quantités de puissance
dans des volumes restreints mais une grande quantité d'énergie est nécessaire
pour pouvoir chauffer les gaz à des températures très élevées. Une approche
alternative à l'utilisation des plasmas thermiques est l'utilisation de
plasmas
froids, c'est-à-dire un plasma généré dans des conditions hors d'équilibre
thermique, lequel produit des espèces ionisées sans échauffement significatif.
Parmi les technologies, mentionnons quelques-unes des approches
expérimentées en laboratoire : décharges couronne, pulsations électriques et
plasmas à micro-ondes. L'utilisation des plasmas froids générés par décharges
couronne dans le reformage de mélanges composés de gaz combustibles
(hydrocarbures ou alcools) en présence d'oxygène et/ou de vapeur d'eau est
décrite dans la demande de brevet de la République Française n 2.757.499
(Etievant, C., Roshd, M., Générateur d'hydrogène , Demande de brevet de la
République Française n 2.757.499 (1996)).
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Le réacteur à chauffage ohmique
Le réacteur à chauffage ohmique mise sur l'utilisation de l'électricité
essentiellement comme source de chaleur générée par conduction directe ou par
induction. Comme le passage d'un courant au travers d'une résistance génère de
la chaleur, une telle résistance peut prendre la forme d'un lit de particules
chauffé au travers duquel circule le gaz à traiter.
Une application connue du chauffage ohmique par conduction directe est
l'utilisation d'un lit fluidisé de granules de coke chauffées par effet Joule
pour la
synthèse d'acide cyanhydrique (HCN) à partir du méthane (CH4) ou du propane
(C3H8) mélangé à de l'ammoniac (NH3) (Shine, N.B., Fluohmic Process for
Hydrogen Cyanide , Chem. Eng. Progress, vol. 67, n 2 (1971) pp. 52-57).
Le concept de garnissage chauffé par induction est évoqué dans le brevet des
États-Unis n 5.362.468 pour une application de pyrolyse (Coulon, M., Boucher,
J., Process for Pyrolysis of Fluid Effluents and Corresponding Apparatus
et
Brevet des États-Unis n 5.362.468 (1994)). Ce procédé vise le traitement de
composés organiques halogénés liquides. On le présente ici en tant que concept
misant sur le chauffage ohmique d'un garnissage, concept pouvant s'appliquer
au traitement de gaz. Dans ce procédé, les effluents à traiter sont chauffés
par
contact avec un empilement d'éléments solides offrant une surface volumique
de contact d'au moins 10 m2/m3. Ces éléments sont utilisés typiquement sous la
forme de billes de 10 à 150 mm de diamètre et sont chauffés par induction
électromagnétique ou par conduction électrique. Les éléments en question
peuvent être constitués d'un matériau conducteur électriquement recouvert d'un
matériau réfractaire. Parmi les matériaux conducteurs, on peut retrouver le
graphite et des carbures céramiques conducteurs. Pour les matériaux
réfractaires, on mentionne le graphite, des métaux réfractaires, des oxydes
céramiques, des carbures, des borures de métaux, etc.
A la base, le chauffage ohmique par conduction directe se présente comme la
façon la plus simple d'utiliser l'énergie électrique dans le cas où on a
recours au
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courant alternatif à la fréquence normalisée du réseau d'alimentation
électrique
(60 Hz en Amérique du Nord, 50 Hz en Europe).
Le réacteur de petite taille et réacteur compact
5 Tel que le révèle l'étude de l'art antérieur, il existe plusieurs types de
systèmes
de reformage, qu'il s'agisse de reformage catalytique ou non catalytique à la
vapeur d'eau ( Steam Reforming , SR), par oxydation partielle (POX), par
réaction auto-thermique (ATR) ou par une combinaison de ces techniques. Les
procédés traditionnels de production d'hydrogène par reformage ou oxydation
10 partielle sont des procédés à grande échelle implantés depuis longtemps
dans
l'industrie pétrochimique. Avec l'engouement récent des piles à combustible
pour usage résidentiel et automobile, on assiste à un investissement important
de
l'effort sur le développement, l'essai et la commercialisation de nouveaux
reformeurs de plus en plus compacts. La lutte pour s'accaparer une part du
15 marché est très intense. Les éléments brevetées par les firmes actuelles
concernant les reformeurs dits compacts visant le marché résidentiel ou de
transport sont subtils. Ils abordent surtout les méthodes de traitement
(séquence
des écoulements, agencement des pièces, modes d'injection) ou les matériaux
comme les catalyseurs de pointe susceptibles d'accroître les performances des
petites unités de reformage. Les références citées ci-après donnent un aperçu
des principaux éléments revendiqués en matière de compacité des réacteurs
classiques de reformage.
Le reformeur UOBTM est un générateur d'hydrogène de petite à moyenne
capacité d'hydrogène (10 à 800 m3/h) couplé à un purificateur d'hydrogène, et
destiné à être installé sur un site fixe. Cette technologie peut être utilisée
en
amont de toutes applications de faible capacité utilisant l'hydrogène pur
comme
réactif ou combustible (métallurgie, industrie du verre, hydrogénation,
électronique, chimie, etc.). Le brevet de base de la technologie UOBTM
( Under Oxidized Burner ) réfère à un dispositif visant à convertir un
combustible en hydrogène dans un brûleur non catalytique, lequel sera
éventuellement mélangé à une autre partie de combustible afin de réduire les
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émission d'oxydes d'azote des moteurs à gaz' (Greiner, L., Moard, D.M.,
Emissions Reduction Systems for Internai Combustion Engines , Brevet des
États-Unis n 5.207.185 (1993)). Les brevets qui suivent concernent des
améliorations de la technologie en question : Moard, D., Greiner, L.,
Apparatus and Method for Decreasing Nitrogen Oxide Emissions from
Internai Combustion Power Sources , Brevet des États-Unis n 5.299.536
(1994) ; Greiner, L., Moard, D.M., Bhatt, B., Underoxidized Burner Utilizing
Improved Injectors , Brevet des États-Unis n 5.546.701 (1996) ; Greiner, L.,
Moard, D.M., Bhatt, B., Shift Reactor for Use with an Underoxidized
Burner , Brevet des États-Unis n 5.728.183 (1998) ; Greiner, L., Woods, R.,
Reduced Carbon from Under Oxidized Burner , Brevet des États-Unis
n 6.089.859 (2000).
Pour sa part, le brevet, délivré aux États-Unis sous le numéro US-B1-
6.207.122 traite d'un procédé combinant l'oxydation partielle (POX) et le
reformage à la vapeur d'eau (SR), permettant de former ce que l'on appelle un
processus auto-thermique (ATR) (Clawson, L.G., Mitchell, W.L., Bentley, J.M.,
Thijssen, J.H.J., Method for Converting Hydrocarbon Fuel into Hydrogene
Gas and Carbon dioxide , Brevet des États-Unis n 6.207.122 B I (2001)).
Chacun de ces processus est réalisé dans des tubes concentriques respectifs.
Les
deux effluents sont dirigés et mélangés dans une zone de reformage catalytique
pour produire de l'hydrogène.
D'autres brevets présentent des systèmes de reformage à la vapeur sur
catalyseur, à titre d'exemple les documents suivants : Primdahl, I.I., High
Temperature Steam Reforming , Brevet des États-Unis .n 5.554.351 (1996) ;
Rostrop-Nielsen, J., Christensen, P.S., Hansen, V.L., Synthesis Gas
Production by Steam Reforming Using Catalyzed Hardware , Brevet des États-
Unis n 5.932.141 (1999) ; Stahl, H.O., Reforming Furnace with Internal
Recirculation , Brevet des États-Unis n 6.136.279 (2000).
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Par ailleurs, les brevets suivants concernent des processus auto-thermiques
avec
catalyseurs : Christensen, T.S., Process for Soot-Free Preparation of
Hydrogen
and Carbon Monoxide Containing Synthesis Gas , Brevet des États-Unis
n 5.492.649 (1996) ; Primdahl, I.I., Process for the Preparation of
Hydrogen
and Carbon Monoxide Rich Gas , Brevet des États-Unis n 5.958.297 (1999) ;
Christensen, P.S., Christensen, T.S., Primdahl,' I.I., Process for the
Autothermal Steam Reforming of a Hydrocarbon Feedstock , Brevet des États-
Unis n 6.143.202 (2000) ; Dybkjaer, I., Process and Reactor System for
Preparation of Synthesis Gas , Brevet des États-Unis n 6.224.789 B1 (2001).
Enfin, les brevets ci-après mentionnés réfèrent à des appareils intégrant la
séparation d'hydrogène :
= Edlund, D.J., Pledger, W.A., Steam Reformer with Internai Hydrogen
Purification , Brevet des États-Unis n 5.997.594 (1999) : dispositif
compact de reformage catalytique à la vapeur comportant un système de
séparation et de purification interne de l'hydrogène, en plus d'un système
intégré de chauffage par les gaz résiduels après séparation de l'hydrogène ;
= Edlund, D.J., Hydrogen-Permeable Metal Membrane and Method for
Producing the Saine , Brevet des États-Unis n 6.152.995 (2000) : méthode
pour la préparation de membranes métalliques perméables à l'hydrogène ;
= Edlund, D.J., Hydrogen Producing Fuel Processing System , Brevet des
États-Unis n 6.221.117 B I (2001) : brevet d'amélioration du brevet des
États-Unis n 5.997.594;
= Verrill, C.L., Chaney, L.J., Kneidel, K.E., Mcllroy, R.A., Privette, R.M.,
Compact Multi-Fuel Steam Reformer , Brevet des États-Unis
n 5.938.800 (1999) : modèle compact de reformeur catalytique à la vapeur
d'eau avec séparation interne de l'hydrogène et récupération de l'énergie des
gaz non totalement convertis.
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Problème technique à résoudre
Dans les applications de reformage, les catalyseurs utilisés sont à base de
métaux et sont généralement préparés par imprégnation de très petites quantité
de métal à la surface d'un support poreux à très grande surface. Souvent les
catalyseurs sont fixés sur un support d'alumine (A1203), de silice (Si02), de
zircone (Zr02), d'oxydes d'alcalino-terreux (MgO, CaO), ou d'un mélange de
ceux-ci. Parmi les catalyseurs les plus connus, mentionnons le platine et le
nickel. Les meilleurs catalyseurs connus pour réaliser le reformage sont des
matériaux coûteux. Il est souhaitable d'utiliser ces métaux sous une forme
hautement dispersée sur un support inerte de manière à exposer aux réactifs
une
plus large fraction possible des atomes de ce catalyseur.
Ainsi, le recours à des réacteurs chauffés électriquement et misant sur
l'utilisation de catalyseurs traditionnels, n'apparaît pas comme une solution
économique. Or, l'électricité est une source noble d'énergie et son
utilisation en
tant que source d'énergie doit présenter des avantages économiques
indéniables.
A l'heure actuelle, nous ne connaissons pas de dispositifs de reformage
d'hydrocarbures basés sur un principe de chauffage ohmique et n'impliquant pas
l'usage de catalyseurs traditionnels.
Les pourcentages de gaz sont tous en volume.
La présente invention se veut une toute nouvelle approche pour la production
de
gaz de synthèse à partir d'hydrocarbures légers comme on en retrouve dans le
gaz naturel ou le biogaz. Le biogaz est un mélange de gaz combustible produit
lors de la fermentation de diverses matières organiques. Il se compose
généralement en volume de 35 à 70 % de méthane, de 35 à 60 % de gaz
carbonique, de 0 à 3 % d'hydrogène, de ,O à 1 % d'oxygène, de 0 à 3 % d'azote,
de 0 à 5 % de gaz divers (hydrogène sulfuré, ammoniac, etc.) et de vapeur
d'eau.
L'invention vise notamment à :
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= diminuer substantiellement les coûts de conversion des gaz à reformer en
introduisant l'utilisation de matériaux simples, facilement disponibles
sur le marché et très peu coûteux ;
= éliminer les problèmes reliés à l'utilisation de catalyseurs traditionnels ;
= rendre optionnelle la désulfuration préalable des réactifs ; et
= mettre en place des réacteurs modulaires, compacts, à haut rendement et
très souples d'usage.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les Figures la à lh illustrent les résultats des simulations 1 à 8
respectivement,
lesquelles proviennent de calculs cinétiques reliés au reformage du méthane.
La Figure la donne les résultats des calculs cinétiques reliés au reformage du
méthane selon la simulation 1 pour un rapport CH4/H20 de 1 mole / 1 mole; une
température de 1.000 K, une pression de 1 atmosphère et sans catalyseur.
La Figure lb donne les résultats des calculs cinétiques reliés au reformage du
méthane selon la simulation 2 pour un rapport CH4/H20 de 1 mole / 1 mole; une
température de 1.000 K et une pression de 1 atmosphère.
La Figure 1 c donne les résultats des calculs cinétiques reliés au reformage
du
méthane selon la simulation 3 pour un rapport CH4/H20/C02 de
1 mole / 1 mole / 0,333 mole; une température de 1.000 K et une pression de 1
atmosphère.
La Figure l d donne les résultats des calculs cinétiques reliés au reformage
du
méthane selon la simulation 4 pour un rapport CH4/H20 de 1 mole / 2 moles;
une température de 1.000 K et une pression de 1 atmosphère.
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La Figure 1 e donne les résultats des calculs cinétiques reliés au reformage
du
méthane selon la simulation 5 pour un rapport CH4/H20/02 de
1 mole / 2 moles / 0,25 mole; une température de 1.000 K et une pression de 1
atmosphère.
5
La Figure lf donne les résultats des calculs cinétiques reliés au reformage du
méthane selon la simulation 6 pour un rapport CH4/H2O/CO2 de
1 mole / 2 moles / 0,333 mole; une température de 1.000 K et une pression de 1
atmosphère.
La Figure l g donne les résultats des calculs cinétiques reliés au reformage
du
méthane selon la simulation 7 pour un rapport CH4/H20/02 de
1 mole / 2 moles / 0,5 mole; une température de 1.000 K et une pression de 1
atmosphère.
La Figure lh donne les résultats des calculs cinétiques reliés au reformage du
méthane selon la simulation 8 pour un rapport CH4/H20 de
1 mole / 3 moles; une température de 1.000 K et une pression de 1 atmosphère.
La Figure 2 montre un réacteur de reformage selon un mode de réalisation de
l'invention, dans lequel les électrodes sont sous forme de disques creux
perforés.
La Figure 3 montre une vue de face typique d'une électrode avec orifices et
protubérances.
La Figure 4 montre un réacteur avec électrodes sous forme de disques pleins.
La Figure 5 illustre le cas de l'injection tangentielle et l'injection radiale
des
gaz dans un réacteur selon un mode de réalisation de l'invention.
La Figure 6 présente un arrangement d'électrodes connectées en parallèle.
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La Figure 7 représente un arrangement d'électrodes connectées en mode
triphasé (vue de dessus d'une coupe dans un cylindre).
La Figure 8 illustre l'arrangement général du réacteur de laboratoire, dans
laquelle TC signifie thermocouple.
La Figure 9 montre une photographie des électrodes de sortie (à gauche) et
d'entrée (à droite) du réacteur de laboratoire, dans laquelle la longueur de
référence est le pouce.
La Figure 10 présente le schéma du banc d'essai utilisant le réacteur de
laboratoire; dans cette figure P signifie mesure de pression, R signifie
régulateur,
T signifie mesure de température, TC signifie thermocouple, Ts signifie
température à la sortie du réacteur, Te signifie température à l'entrée du
réacteur, Tm signifie température au milieu de la chambre de réaction. F1
représente un compteur de gaz.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour objet un réacteur électrique pour le reformage,
en
présence d'un gaz oxydant, d'un gaz comprenant au moins un hydrocarbure,
éventuellement substitué, et/ou au moins un composé organique, éventuellement
substitué, comportant des atomes de carbone et d'hydrogène ainsi qu'au moins
un hétéroatome. Ce réacteur comporte comme éléments structurels:
- une enceinte isolée thermiquement;
- une chambre de réaction munie d'au moins deux électrodes et située à
l'intérieur de l'enceinte, ladite chambre de réaction comprenant au moins
un matériau de garnissage conducteur, le garnissage en question étant
isolé électriquement de la paroi métallique de l'enceinte de manière à
éviter tout court-circuit;
- au moins une alimentation en gaz à reformer;
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- au moins une alimentation en gaz oxydant, distincte ou non de l'alimentation
en gaz à reformer;
- au moins une sortie pour les gaz issus du reformage; et
- une source électrique permettant la mise sous tension des électrodes et
résultant dans la génération d'un flux électronique dans le garnissage
conducteur entre les électrodes et dans le chauffage dudit garnissage.
Un autre aspect de l'invention vise un procédé pour le reformage d'un gaz
comprenant au moins un hydrocarbure éventuellement substitué, et/ou au moins
un
composé organique éventuellement substitué qui comporte des atomes de carbone
et d'hydrogène et au moins un hétéroatome, consistant à mettre en contact le
gaz à
reformer avec un gaz oxydant dans une chambre de réaction, caractérisé en ce
que :
- la chambre de réaction contient un matériau de garnissage conducteur
électrique formant en tout ou en partie un catalyseur de reformage, le
matériau
étant placé entre des électrodes;
- les électrodes sont mises sous tension pour produire un courant électrique
continu ou alternatif générant un flux électronique dans le garnissage.
DÉFINITION GÉNÉRALE DE L'INVENTION
Le terme reformage tel qu'il est utilisé dans le cadre de la présente
invention est
relatif à une réaction thermochimique de conversion d'un hydrocarbure ou d'une
molécule organique en gaz de synthèse, lequel est un mélange gazeux notamment
à
base d'hydrogène, de monoxyde de carbone et de dioxyde de carbone.
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22a
Le terme gaz tel qu'il est utilisé dans le cadre de la présente invention est
avantageusement relatif à un composé ou à un mélange de composés qui se
présentent à l'état gazeux à une pression de préférence avoisinante la
pression
atmosphérique et à une température inférieure à 200 Celsius.
Le terme hydrocarbure tel qu'il est utilisé dans le cadre de la présente
invention est
relatif à une ou plusieurs molécules contenant uniquement des atomes de
carbone et
d'hydrogène.
Le terme composé organique tel qu'il est utilisé dans le cadre de la présente
invention est relatif à une ou plusieurs molécules dont les éléments
constitutifs de
la structure moléculaire sont le carbone et l'hydrogène, ainsi qu'un ou
plusieurs
hétéroatomes tels que l'oxygène et l'azote.
L'indice de porosité tel qu'il est utilisé dans le cadre de la présente
invention est
relatif à la proportion du volume en vrac d'un matériau qui n'est pas occupé
par la
partie solide dudit matériau en vrac. L'espace vacant entre les particules
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'1 1
23
solides, tes cavités à la surface et à l'intérieur des particules ainsi que le
volume
des ouvertures et des trous présents ü travers le matériau contribue à la
porosité.
Un premier objet de le présente invention est constitué par un réacteur
électrique pour le reformage, en présence d'un gaz oxydant, d'un gaz
comprenant au moins un hydrocarbure, éventuellement substitué, et/ou au moins
un composé organique, éventuellement substitué, comportant des atomes de
carbone et d'hydrogène ainsi qu'au moins un hétéroatome.
1 o Ce réacteur comporte ;
= une enceinte, de préférence isolée thermiduement, et plus
préférentiellement encore isolée thermiquemtrtt par l'intérieur ;
une chambre de réaction munie d'au moins deux électrodes et située à
l'intérieur de l'enceinte, ladite chambre de réaction comprenant au moins
un matériau de garnissage conducteur et définissant en tout ou en partie
un catalyseur de réfonnage, le garnissage en question étant iso]é
électriquement de la paroi métallique de l'enceinte de manière à éviter
tout court-circuit ;
- au moins une alimentation en gaz à reformer ;
- au moins une alimentation en gal oxydant, distincte ou non de
l'alimentation on gaz, à reformer ;
au moins une sortie pour les gaz issus du reformage ; et
une source électrique permettant la mise sous tension des électrodes et
résultant dans la génération d'un flux électronique dans le garnissage
conducteur entre les électrodes ; et éYentuellemetst
- au mains un apport de chaleur dans le garnissage. Avantageusement
l'apport de chaleur, qui peut provenir de l'extérieur ou de l'intérieur du
garnissage, peut âtre effectué par tous moyens appropriés et de
préférence peut résulter de la génération du flux électronique dans le
garnissage.
Une sous-famille particulièrement intéressante de réacteurs selon l'invention
est
constituée par ceux présentant au moins une des caractéristiques suivantes ;
une chambre de réaction qui est de forme parallélépipédique au
cylindrique;
au moins une des électrodes est de type creuse et elle constitue le port
d'entrée du gaz à reformer.
(Mââ
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24
- au moins une des électrodes est de type creuse et elle constitue un
conduit d'alimentation en gaz à reformer et en gaz oxydant;
au moins une des électrodes est de type creuse et elle constitue la sortie
des gaz résultant du reformage i
- au moins deux des électrodes sont situées face à face.
Selon un autre mode avantageux de réalisation du réacteur de l'invention, ce
dernier, comprend au moins deux électrodes métalliques constituées chacune
d'une tubulure et d'un disque creux perforé, ledit disque est situé à
l'extrémité
du tube débouchant dans la chambre de réaction et il est en contact avec le
garnissage de la chambre de réaction pour assurer l'alimentation en courant
électrique du garnissage et son échauffement par effet Joule.
Le matériau de garnissage conducteur est choisi de préférence dans le groupe
constitué par les éléments du groupe VIII de la classification périodique
(numérotation CAS) et les alliages contenant au moins un desdits éléments, de
préférence la garnissage est choisi dans le groupe constitué par les matériaux
comportant au moins 8Q % d'un ou de plusieurs desdits éléments du groupe VIII,
plus préférentiellement encore dans le groupe constitué par le fer, le nickel,
le
cobalt, et les alliages contenant au moins 80 % d'un ou de plusieurs de cMs
éléments, plus avantageusement encore le garnissage est â base de fer ou d'un
de ses alliages et de préférence il est choisi dans le groupe constitué par
les
aciers au carbone. Avantageusement le matériau de garnissage conducteur
définit on tout ou en partie un catalyseur de la réaction de reformage
précédemment définie.
Une sous-famille particulièrement intéressante de réacteurs est constituée pat
les
réacteurs dans lesquels le matériau possède à l'état dense une résistivité
électrique, mesurée à 20 C qui est de préférence comprise entre 50 x 10.9 et
2.000 x 10'9 ohm-m, plus préférentiellement comprise entre 60 x 10"9 et
500 x 10's ohm-in, et plus avantageusement encore comprise entre 90 x 10-9 et
200 x 10'9 ohm-m,
~- titre d'exemple, le remplissage est constitué d'éléments du matériau
~5 conducteur sous une forme choisie dans le groupe constitué par les pailles,
les
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fibres, les limailles, les frittés, les billes, les clous, les fils, les
filaments, les
laines, les tiges, les boulons, les écrous, les rondelles, les copeaux, les
poudres,
les grains, les granules, et les plaques perforées.
5 Le matériau de remplissage peut également être constitué, en tout ou en
partie,
par des plaques perforées et le pourcentage surfacique des ouvertures dans la
plaque est compris entre 5 et 40 %, et plus préférentiellement encore entre 10
et
20%.
10 De façon très économique, le matériau de garnissage est de la laine d'acier
doux,
par exemple une laine d'acier doux commercialisée sous la marque BullDog et
fabriquée par Thamesville Metal Products Ltds (Thamesville, Ontario, Canada).
Selon un autre mode avantageux permettant d'accroître l'efficacité du
réacteur,
15 le matériau de garnissage est préalablement traité pour en accroître au
moins une
des caractéristiques suivantes
- la surface spécifique
- la pureté ; et
- l'activité chimique.
20 Ce traitement préalable peut être un traitement à l'acide minérale et/ou
thermique.
Selon deux autres variantes spécifiques :
- le garnissage conducteur est constitué de fibres ayant un diamètre
25 caractéristique compris entre 25 m et 5 mm, plus préférentiellement
encore entre 40 m et 2,5 mm, et plus préférentiellement encore 50 m
et 1 mm, ainsi qu'une longueur supérieure à 10 fois son diamètre
caractéristique, plus préférentiellement supérieure à 20 fois son diamètre
caractéristique et plus avantageusement encore supérieure à 50 fois son
diamètre caractéristique; ou bien
- le garnissage conducteur définissant un milieu poreux présente une
surface volumique de plus de 400 m2 de surface exposée par m3 de la
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chambre de réaction, de préférence de plus de 1.000 m2/m3, plus
préférentiellement encore de plus de 2.000 m2/m3.
Une variante particulièrement intéressante est constituée par les réacteurs
dans
lesquels le garnissage est constitué de billes et/ou de fils à base d'au moins
un
élément du groupe VIII ou d'au moins un oxyde métallique, de préférence à base
de fer ou d'acier.
Il est à noter que le conduit d'alimentation du gaz à reformer peut être
positionné à différents endroits du réacteur, il peut par exemple être
positionné
perpendiculairement à la direction du flux électronique créé entre les
électrodes.
Selon deux autres variantes de positionnement :
- lorsque la chambre de réaction est de forme cylindrique, au moins un des
conduits d'alimentation en mélange gazeux, constitué du gaz à reformer
et/ou du gaz oxydant, est positionné tangentiellement à la paroi
cylindrique de la chambre de réaction; ou bien
- au moins une des sorties des gaz obtenus par reformage est positionnée
dans la chambre de réaction à l'opposée de l'alimentation en gaz.
La source électrique alimentant les réacteurs de l'invention est constituée
par un
transformateur de courant dans le cas d'une alimentation électrique de type
courant alternatif (AC) ou d'un redresseur de courant dans le cas d'une
alimentation électrique de type courant continu (DC), laquelle source
électrique
est d'une puissance calculée selon les besoins énergétiques des réactions de
reformage concernées, lesquelles obéissent aux lois de la thermodynamique, et
ladite source électrique devant ' fournir une intensité de courant minimum
calculée par l'équation suivante :
Iminimum - %= F
dans laquelle : Iminimum est le courant minimum à appliquer, exprimé en
Ampères ;
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1 est un paramètre qui dépend de la géométrie du
réacteur, du type de garnissage, des conditions de
fonctionnement et du gaz à reformer; et
F est le débit molaire du gaz à reformer, exprimé en
mole de gaz à reformer / seconde.
La paramètre X est établi expérimentalement en faisant varier le courant à
l'aide
d'une source à intensité variable (AC ou DC) et aussi en faisant varier le
débit de
gaz à reformer. X dépend des caractéristiques géométriques du réacteur
considéré, de la géométrie et de la nature du garnissage, et enfin des
conditions
de fonctionnement du réacteur (compositions et débits des gaz alimentés,
température et pression de réaction). Typiquement la valeur de a, est
supérieure à
C/mole.
15 Il est à noter que le courant à alimenter dans le garnissage peut être
produit par
induction électromagnétique en ce sens que l'on peut réaliser une
transformation
de courant par l'usage d'inducteurs localisés autour de la chambre de
réaction.
Ainsi, le garnissage lui-même peut être confondu avec une électrode.
Le garnissage conducteur présente un indice de porosité de préférence compris
entre 0,50 et 0,98, plus préférentiellement comprise entre 0,55 et 0,95, et
plus
préférentiellement encore entre 0,60 et 0,90.
Par ailleurs, le temps de séjour des réactifs (gaz à reformer) est de
préférence
supérieur à 0,1 seconde, plus préférentiellement supérieur à 1 seconde, et
plus
préférentiellement encore supérieur à 3 secondes.
Selon une autre variante, le garnissage de la chambre de réaction est
constitué
d'une laine faite de fils d'acier mélangés avec des matériaux de forme
sphérique
tels des billes faites d'acier.
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Par ailleurs, une variante particulièrement intéressante est constituée par
les
réacteurs, dans lequel la chambre de réaction contient, en plus du garnissage
conducteur, des matériaux non conducteurs et/ou semi-conducteurs et/ou isolant
électriquement, tels que les céramiques et l'alumine, ces derniers sont alors
adéquatement disposés dans la chambre de réaction de manière à ajuster la
résistance électrique globale du garnissage.
A titre d'exemple illustratif d'électrodes particulièrement adaptées pour être
présentes seules ou à plusieurs exemplaires dans les réacteurs de l'invention,
on
peut mentionner les électrodes de type perforées présentant un diamètre
d'ouverture de plus de 25 micromètres, les trous étant plus préférentiellement
répartis uniformément suivant une densité d'au plus 100.000 ouvertures par cm2
de surface d'électrode.
On peut dimensionner les trous de façon à ce que la perte de charge due au
passage du gaz au travers de l'électrode ou des électrodes n'excède pas 0,1
atmosphère.
Selon un mode préférentiel, les ouvertures sont réparties sur la surface de
l'électrode perforée de façon à assurer une diffusion uniforme des gaz
au.travers
de la chambre de réaction et ou la taille des ouvertures augmentent dans le
sens
radial de l'électrode ou des électrodes perforée(s).
Selon une variante particulièrement efficace, au moins une des électrodes est
telle que sa face exposée au garnissage est munie de protubérances et/ou de
saillies, lesquelles sont de préférence de forme conique et , plus
préférentiellement encore sous forme d'aiguille.
Les protubérances et/ou les saillies peuvent être dimensionnées de façon que
leur densité d'espacement corresponde, dans un mode préférentiel, à plus de
0,5
unité par cm2 d'électrode.
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La longueur des protubérances et/ou des saillies peut quant à elle varier
entre
0,001 et 0,1 fois le la longueur du garnissage de la chambre de réaction, et
la
largeur de ces protubérances et/ou de ces saillies peut varier entre 0,001 et
0,1
fois le diamètre du disque de l'électrode.
A titre illustratif, les saillies sont de forme conique, les cônes
correspondant
étant de préférence dimensionnés de façon à ce que le rapport hauteur du cône
sur diamètre du cône est d'au moins 1, plus avantageusement encore ce rapport
est supérieur à 5 et plus préférentiellement encore ledit rapport est
supérieur à,
10.
De façon avantageuse, les réacteurs de la présente invention peuvent être
dimensionnés de façon à rentrer dans la catégorie précédemment mentionnée
des réacteurs dits "compacts", "transportables" ou "portables".
Un deuxième objet de la présente invention est constitué par un procédé
électrique pour le reformage de gaz consistant à faire réagir le gaz à
reformer en
présence d'au moins un gaz oxydant, dans un réacteur électrique de reformage
selon le premier objet de la présente invention.
Selon un mode avantageux de réalisation, le procédé comprend au moins les
étapes suivantes de :
a) préparation, à l'intérieur ou à l'extérieur du réacteur de reformage, d'un
mélange du gaz à reformer et du gaz oxydant ;
b) mise en contact du mélange obtenu dans l'étape a) avec le garnissage de
la chambre de réaction, de préférence par passage dans une électrode
creuse ;
c) application d'un flux électronique pour la mise sous tension des
électrodes de la chambre de réaction ;
d) chauffage du garnissage dudit réacteur par le flux électronique à une
température permettant la transformation catalytique dudit mélange
gazeux ; et
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e) récupération du mélange de gaz issu du reformage, de préférence par
passage dans une autre électrode creuse.
Avantageusement, les étapes c) et d) sont réalisées avant l'étape b) et la
chambre
5 de réaction est préchauffée avant l'alimentation en gaz à reformer et en gaz
oxydant, à une température comprise entre 300 C et 1.500 C, sous atmosphère
inerte tel que l'azote, par la réalisation préalable de l'étape c).
Le procédé électrique de l'invention est avantageusement utilisé pour le
10 reformage de gaz constitué d'au moins un des composés du groupe constitué
par
les hydrocarbures de C1 à C12, éventuellement substitués notamment par les
groupements suivants : alcool, acide carboxylique, cétone, époxy, éther,
peroxyde, amino, nitro, cyanure, diazo, azoture, oxime, et halogénures tels
que
fluoro, bromo, chloro, et iodo, lesquels hydrocarbures sont ramifiés, non
15 ramifiés, linéaires, cycliques, saturés, insaturés, aliphatiques,
benzéniques et
aromatiques, et présentent avantageusement un point d'ébullition inférieur à
200 C, plus préférentiellement un point d'ébullition inférieur à 150 C, et
plus
préférentiellement encore un point d'ébullition inférieur à 100 C.
20 Les hydrocarbures sont choisis de préférence dans le groupe constitué par :
le
méthane, l'éthane, le propane, le butane, le pentane, l'hexane, l'heptane,
l'octane,
le nonane, le décane, l'undécane, le dodécane, chacun de ces composés et sous
forme linéaire ou ramifié, et les mélanges d'au moins deux de ces composés.
25 Le procédé donne de très bon résultats lorsqu'on l'utilise pour le
reformage des
gaz naturels, en particulier pour le reformage de gaz contenant initialement
du
soufre et ayant déjà subi au préalable un traitement pour enlever le soufre,
de
préférence de manière à réduire avantageusement la teneur en soufre en deçà de
0,4 %, plus avantageusement en deçà de 0,1 %, et plus avantageusement encore
30 en deçà de 0,01 %, les pourcentages étant exprimés en volume.
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Lors du traitement de gaz naturel contenant du soufre, une partie ou la
totalité du
garnissage réagit avec le soufre présent dans le gaz à reformer et la partie
du
garnissage ainsi utilisée est nommée garnissage sacrificiel.
Parmi les gaz susceptibles d'être reformer par le procédé de l'invention, ori
mentionne également les biogaz provenant notamment de la fermentation
anaérobique de diverses matières organiques. Ces biogaz sont avantageusement
constitués en volume de 35 à 70 % de méthane, de 35 à 60 % de gaz carbonique,
de 0 à 3 % d'hydrogène, de 0 à 1 % d'oxygène, de 0 à 3 % d'azote, de 0 à 5 %
de
gaz divers tels que l'hydrogène sulfuré, l'ammoniac et de vapeur d'eau.
A titre d'exemple préférentiel, le gaz à reformer est un gaz naturel constitué
de
70 à 99 % de méthane, accompagné de 0 à 10 % d'éthylène, de 0 à 25 %
d'éthane, de 0 à 10 % de propane, de 0 à 8 % de butane, de 0 à 5 %
d'hydrogène, de 0 à 2 % de, monoxyde de carbone, de 0 à 2 % d'oxygène, de 0 à
15 % d'azote, de 0 à 10 % de dioxyde de carbone, de 0 à 2 % d'eau, de 0 à 3 %
d'un ou plusieurs hydrocarbures de C5 à C12 et des traces d'autres gaz..
Pour la mise en oeuvre avantageuse du procédé, le gaz oxydant est constitué
d'au
moins un gaz choisi dans le groupe constitué par le dioxyde de carbone, le
monoxyde de carbone, l'eau, l'oxygène, les oxydes d'azote tel que NO, N20,
N205, NO2, NO3, N203, et par les mélanges d'au moins deux de ces composants,
de préférence les mélanges de dioxyde de carbone et d'eau.
Selon une autre variante, le gaz à reformer est constitué d'au moins un des
composés du groupe constitué par les composés organiques de structure
moléculaire dont les éléments constitutifs sont le carbone et l'hydrogène,
ainsi
qu'un ou plusieurs hétéroatomes tels que l'oxygène et l'azote, pouvant
comprendre avantageusement un ou plusieurs groupements fonctionnels choisis
dans le groupe constitué par les alcools, les éthers, les éther-oxydes, les
phénols,
les aldéhydes, les cétones, les acides, les amines, les amides, les nitriles,
les
esters, les oxydes, les oximes et présentant de préférence un point
d'ébullition
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inférieur à 200 C, plus préférentiellement un point d'ébullition inférieur à
150 C, et plus préférentiellement encore un point d'ébullition inférieur à
100 C.
De préférence, les composés 'organiques sont du méthanol et/ou de l'éthanol.
Selon une autre variante avantageuse, le gaz à reformer peut également
contenir
un ou plusieurs des gaz du groupe constitué par l'hydrogène, l'azote,
l'oxygène,
la vapeur d'eau, le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, et les gaz
inertes du groupe VIIIA de la classification périodique (numérotation CAS), ou
les mélanges d'au moins deux de ces derniers.
Des résultats particulièrement intéressants au niveau du reformage sont
obtenus
lors que le mélange de gaz alimenté dans la chambre de réaction contient moins
de 5 % en volume d'oxygène.
A titre illustratif, le mélange du gaz à reformer et du gaz oxydant est
constitué
de 25 à 60 % de méthane, de 0 à 75 % de vapeur d'eau et de 0 à 75 % de
dioxyde de 'carbone, de préférence de 30 à 60 % de méthane, de 15 à 60 % de
vapeur d'eau, et de 10 à 60 % de dioxyde de carbone, et plus
préférentiellement
encore de 35 à 50 % de méthane, de 20 à 60 % de vapeur d'eau et de 10 à 50 %
de dioxyde de carbone.
Selon un autre mode préférentiel, le mélange de gaz à reformer et de gaz
oxydant est constitué, dans un mode préférentiel, d'environ 36,0 % de méthane,
et le gaz oxydant est constitué d'environ 49,0 % d'eau et d'environ 12 % de
dioxyde de carbone.
Les paramètres de l'alimentation en gaz sont choisis de façon à ce que le
rapport
molaire atomique carbone / oxygène dans le mélange de gaz alimenté dans la
chambre de réaction est compris entre 0,2 et 1,0, de préférence ce rapport est
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compris entre 0,5 et 1,0, et plus préférentiellement encore ledit rapport est
compris entre 0,65 et 1,0.
L'étape c) est réalisée par utilisation d'un courant alternatif (AC) ou
continu
(DC) modulé en fonction du niveau de température à maintenir dans le réacteur,
de préférence en continu en évitant les arrêts et en appliquant que des
changements modérés à l'intensité du courant.
Selon une variante préférentielle, les étapes b), c) et d) sont réalisées à un
niveau
de température se situant entre 300 et 1.500 C, de préférence dans une gamme
se situant entre 600 et 1.000 C, et plus préférentiellement encore dans une
gamme se situant entre 700 et 900 C.
Dans les étapes b), c) et d), la pression dans la chambre de réaction est
avantageusement supérieure à 0,001 atmosphère et elle est de préférence
comprise entre 0,1 et 50 atmosphères, plus préférentiellement encore elle est
comprise entre 0,5 et 20 atmosphères.
Le profil de pression est quant à lui avantageusement maintenu constant dans
la
chambre de réaction pendant le reformage.
Le procédé de l'invention peut être réalisé en continu, de préférence lorsque
l'on
utilise un matériau de garnissage à longue durée de vie et en discontinu, de
préférence pendant une période d'au moins 30 minutes, lorsque l'on utilise un
matériau à faible durée de vie, c'est-à-dire qui se consomme rapidement au
cours
du procédé de reformage. Le garnissage est alors remplacé ou régénéré entre
deux périodes de mise en oeuvre.
Il a été par ailleurs constaté que la réaction de reformage apparaît catalysée
par
des micro-arcs sautant entre les particules du garnissage ou par des sites
activés
par l'accumulation de charges à la surface des particules du garnissage et/ou
par
le passage de courant électrique.
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Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention, le garnissage
conducteur est choisi de façon à présenter un indice de porosité comprise
entre
0,50 et 0,98, plus préférentiellement comprise entre 0,55 et 0,95, et plus
préférentiellement encore entre 0,60 et 0,90.
Le temps de séjour des réactifs est de préférence supérieur à 0,1 seconde,
plus
préférentiellement supérieur à 1 seconde, et plus avantageusement encore
supérieur à 3 secondes.
Selon un autre mode préférentiel le procédé est mis en oeuvre avec un réacteur
électrique dans lequel pour au moins une des électrodes, les perforations sont
réparties uniformément avec une densité correspondant à au plus 100.000
ouvertures par cm2 de surface d'électrode et lesdites ouvertures sont telles
que la
perte de charge due au passage du gaz au travers de l'électrode ou des
électrodes
n'excède pas 0,1 atmosphère.
A titre illustratif de mise en oeuvre préférentiel, on peut mentionner le
procédé
électrique pour le reformage d'hydrocarbures et/ou de composés organiques,
consistant à faire réagir ces derniers en présence d'un, gaz oxydant (de
préférence en présence de vapeur d'eau et/ou de gaz carbonique et/ou autres
gaz), dans une chambre de réaction contenant :
1) un garnissage conducteur à base de métaux définissant un milieu poreux
présentant une surface volumique de plus de 400 m2 de surface exposée par
m3 de la chambre de réaction, ce garnissage servant à la fois de médium de
chauffage et de milieu de catalyse ; et
2) deux électrodes métalliques constituées chacune d'une tubulure et d'un
disque creux perforé en contact avec le garnissage pour réaliser
l'alimentation du courant électrique requis pour le chauffage de ce
garnissage par effet Joule et pour aider à la catalyse par mouvements
d'électrons ;
comprenant les étapes suivantes :
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a) de mélange des hydrocarbures et/ou les composés organiques et le gaz
oxydant;
b) d'introduction du mélange de l'étape a) dans la chambre de réaction par
injection dans une des électrodes ;
5 c) de mise en contact le mélange de l'étape a) avec le garnissage ;
d) d'application d'un flux électronique par la mise sous tension des
électrodes de la chambre de réaction ;
e) de chauffage du garnissage par le flux électronique et produire un
mouvement d'électrons permettant d'aider à la catalyse, par
10 l'alimentation d'un courant électrique par les deux électrodes, ce courant
étant tel qu'il passe directement dans le garnissage ; et
f) d'évacuation et de récupération du gaz du réacteur par passage dans
l'autre électrode.
15 Avantageusement, ces paramètres du procédé sont appliqués pour le reformage
du méthane, consistant à faire réagir ce dernier en présence de dioxyde de
carbone et de vapeur d'eau, dans une chambre de réaction d'un volume
disponible de 322 cm3 contenant :
1) un garnissage conducteur constitué de 50 g de laine d'acier, par exemple
20 d'une laine d'acier de type BullDog fabriquée par Thamesville Metal
Products Ltds (Thamesville, Ontario, Canada) définissant un milieu poreux,
lequel milieu est constitué d'une alternance de couches de 1 cm d'épaisseur
de ladite laine d'acier adéquatement compactées; et
2) deux électrodes métalliques fabriquées en acier au carbone constituées
25 chacune d'une tubulure d'une longueur d'environ 30,48 cm et d'un disque
creux d'un diamètre d'environ 6,35 cm, lequel disque est perforé, muni de
saillis de manière à assurer un.bon contact avec le garnissage ;
comprenant les étapes suivantes :
a) mélange les réactifs gazeux, lesquels sont le méthane, le dioxyde de
30 carbone et la vapeur d'eau, suivant des concentrations respectives
d'environ 39 %, 12 % et 49,0 %;
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b) introduction du mélange de l'étape a) dans la chambre de réaction par
injection dans l'électrode d'entrée ;
c) mise en contact le mélange de l'étape a) avec le garnissage ;
d) application d'un flux électronique par la mise sous tension des électrodes
de la chambre de réaction, lequel flux est obtenu par un courant
électrique continu d'une intensité d'environ 150 ampères ;
e) chauffage du garnissage par le flux électronique à une température
d'environ 780 C et production d'un mouvement d'électrons permettant
d'aider à la catalyse, par l'alimentation d'un courant électrique par les
deux électrodes, ce courant étant tel qu'il passe directement dans le
garnissage ; et
f) évacuation et récupération de gaz du réacteur par passage dans
l'électrode de sortie, lequel gaz est constitué d'hydrogène, de monoxyde
de carbone, d'oxygène, de méthane et de dioxyde de carbone, suivant
des concentrations respectives d'environ 69 %, 28 %, 0,4 %, 1,7 % et
0,9 %, établies sur une base anhydre et normalisée.
Un autre exemple particulièrement intéressant est constitué par un procédé
électrique pour le reformage d'hydrocarbures et/ou de composés organiques,
consistant à faire réagir ces derniers en présence d'un gaz oxydant (de
préférence en présence de vapeur d'eau et/ou de gaz carbonique et/ou autres
gaz), dans une chambre de réaction contenant :
1) un garnissage conducteur à base de métaux définissant un milieu poreux
présentant une surface volumique de plus de 400 m2 de surface exposée par
m3 de la chambre de réaction, ce garnissage servant alors à la fois de moyen
de chauffage et de milieu de catalyse ; et
2) deux électrodes métalliques constituées chacune d'un disque plein en
contact avec le garnissage pour réaliser l'alimentation du courant électrique
requis pour le chauffage de ce garnissage par effet Joule et pour aider à la
catalyse par mouvements d'électrons ;
comprenant les étapes suivantes :
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a) mélange des hydrocarbures et/ou les composés organiques et le gaz
oxydant ;
b) introduction dans la chambre de réaction du mélange de l'étape a) par
injection au niveau des ouvertures radiales ou tangentielles de la
chambre de réaction ;
c) mise en contact le mélange de l'étape a) avec le garnissage ;
d) application d'un flux électronique pour la mise sous tension des
électrodes de la chambre de réaction ;
e) chauffage du garnissage par le flux électronique et production d'un
mouvement d'électrons permettant d'aider à la catalyse par
l'alimentation d'un courant électrique par les deux électrodes, ce courant
étant tel qu'il passe directement dans le garnissage ; et
f) évacuation et récupération du gaz du réacteur par écoulement axial,
tangentiel ou radial à l'aide d'ouvertures axiales, radiales ou
tangentielles.
A titre d'exemple avantageux, l'utilisation du procédé de l'invention pour le
reformage du méthane consiste à faire réagir ce dernier en présence de dioxyde
de carbone et de vapeur d'eau, dans une chambre de réaction d'un volume
disponible de 26,5 litres contenant :
1) un garnissage conducteur constitué de filaments d'acier définissant un
milieu poreux, lequel milieu est constitué de filaments dont chacun est
d'une longueur d'environ 1 cm et d'un diamètre d'environ 0,5 mm ; et
2) deux électrodes métalliques fabriquées en acier au carbone constituées
chacune d'une tige d'une longueur d'environ 50 cm et d'un disque d'un
diamètre d'environ 15 cm, lequel disque est muni de saillis de manière à
assurer un bon contact avec'le garnissage ;
comprenant les étapes suivantes :
a) mélange des réactifs gazeux, lesquels sont le méthane, le dioxyde de
carbone et la vapeur d'eau, suivant des concentrations respectives
d'environ 53 %, 17 % et 30,0 %;
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b) introduction dans la chambre de réaction du mélange de l'étape a) par
injection au niveau des ouvertures radiales ou tangentielles présentes
dans la chambre de réaction;
c) mise en contact du mélange de l'étape a) avec le garnissage ;
d) application d'un flux électronique pour la mise sous tension des
électrodes de la chambre de réaction, lequel flux est obtenu par un
courant électrique continu d'une intensité d'environ 500 ampères ;
e) chauffage du garnissage par le flux électronique à une température
d'environ 780 C et production d'un mouvement d'électrons permettant
d'aider à la catalyse, par l'alimentation d'un courant électrique par les
deux électrodes, ce courant- étant tel qu'il passe directement dans le
garnissage ; et
f) évacuation et récupération du gaz du réacteur par passage dans les
ouvertures radiales de sortie, lesquelles sont situées à la fin de la
chambre de réaction, et lequel gaz est constitué d'hydrogène, de
monoxyde de carbone, d'oxygène, de méthane et de dioxyde de carbone,
suivant des concentrations respectives d'environ 69 %, 28 %, 0,4 %,
1,7 % et 0,9 %, établies sur une base anhydre et normalisée.
Dans ces modes avantageux précédemment mentionnés, le temps de séjour des
réactifs est de préférence supérieur à 0,1 seconde, plus préférentiellement
supérieur à 1 seconde, et plus avantageusement encore supérieur à 3 secondes.
Un troisième objet de la présente invention est constitué par l'utilisation
d'un
ou plusieurs réacteurs électriques pour:
(i) la production de gaz de synthèse servant notamment à la
fabrication de méthanol, et préférentiellement pour les
implantations présentant une consommation électrique de 1 à
5 MW;
(ii) la valorisation en énergie et/ou en produits chimiques du
biogaz généré par les lieux d'enfouissement sanitaire ;
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(iii) la production d'hydrogène pour des applications de
combustibles reliés au transport routier, à titre d'exemple
pour l'alimentation des automobiles et des autobus ; et
(iv) la production d'hydrogène pour des applications dites
portables ou stationnaires, à titre d'exemple pour
l'alimentation des piles à combustible destinées aux
résidences et aux véhicules routiers.
Le procédé électrique de l'invention peut avantageusement être utilisé pour :
(i) la production de gaz de synthèse servant notamment à la
fabrication de méthanol, et préférentiellement pour les
implantations présentant une consommation électrique de 1 à
5 MW;
(ii) la valorisation en énergie et/ou en produits chimiques du
biogaz généré par les lieux d'enfouissement sanitaire ;
(iii) la production d'hydrogène pour des applications de
combustibles reliés au transport routier, à titre d'exemple
pour l'alimentation les automobiles et les autobus ; et
(iv) la production d'hydrogène pour des, applications dites
portables ou stationnaires, à titre d'exemple pour
l'alimentation des piles . à combustible destinées aux
résidences et aux véhicules routiers.
Une utilisation particulièrement intéressante du procédé est, trouvée dans la
désulfuration des gaz contenant du soufre.
THÉORIE EXPLICATIVE DE LA PRÉSENTE INVENTION
Cette section présente un modèle de fonctionnement de l'invention. Elle montre
qu'un matériau aussi commun que le fer peut avoir un effet catalytique sur les
réactions de reformage, que -ce matériau n'a pas besoin d'être sous la forme
traditionnelle des catalyseurs commerciaux, et on peut l'utiliser de façon
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surprenante sous une forme à géométrie simple permettant son utilisation
comme moyen pour réaliser un chauffage ohmique. Il a été découvert que ce
matériau, sous une forme poreuse, est propice à la fois pour le chauffage des
réactifs et pour la catalyse des réactions de reformage.
5
Cinétique de réaction
Les métaux du groupe VIII du tableau périodique (numérotation CAS)
présentent une bonne activité catalytique pour les, réactions impliquant la
formation d'hydrogène et le craquage d'hydrocarbures, ces réactions semblent
10 expliquer en partie par la contribution dans la formation de liens
chimiques de
leurs orbitales d partiellement remplies. Le fer, le cobalt, le nickel, le
ruthénium et l'osmium sont les métaux les plus actifs du groupe en question.
Ces métaux sont connus comme étant facilement oxydables en présence d'eau
ou d'oxygène et facilement réduits par la suite en présence d'hydrocarbures ou
15 d'autres gaz réducteurs. Le métal permet d'arracher à l'eau (et aussi au
C02)
des atomes d'oxygène pour ensuite les relayer à des hydrocarbures tout en
formant des oxydes métalliques qui sont facilement réduits aux conditions de
synthèse. C'est ce qui permet de catalyser des réactions de reformage. Dans
l'industrie, le nickel est de loin le catalyseur connu le plus utilisé pour
réaliser le
20 reformage du gaz naturel.
Le palladium, l'iridium et le platine, également du groupe VIII, absorbent
facilement le CO mais permettent difficilement son largage. Quant aux métaux
Zn, AI et Cu des groupes IB, IIB et IIIB, ceux-ci sont modérément actifs.
Le métal le moins coûteux et le plus facilement disponible connu est le fer.
Il
est électriquement conducteur mais offre une certaine résistance électrique
nécessaire au chauffage ohmique, accentuée par la structure granulaire du lit
catalytique qu'il forme. Le comportement cinétique du fer dans des réactions
de
reformage à la vapeur d'eau et/ou au C02 a été calculé à partir d'un modèle
mathématique que nous avons élaboré dans le but de faire des prédictions sur
l'activité catalytique de certains métaux en suivant l'état d'oxydation du
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catalyseur, en fonction du temps, dans les conditions de reformage. Ce modèle,
s'est avéré cohérent au regard des lois de la thermodynamique, et il permet
également de simuler la formation de molécules à liens multiples carbone-
carbone susceptibles de constituer des précurseurs de formation de carbone
solide (suie, charbon, hydrocarbures lourds, etc.).
Pour quantifier le comportement cinétique d'un métal, le modèle de Eley-Rideal
a été utilisé. Celui-ci suggère qu'une réaction pourrait se produire
directement
suite à une collision d'une espèce gazeuse sur une molécule ou un fragment de
molécule adsorbé (identifié par un astérisque * ) c'est-à-dire :
A + *B - produits (6)
dont la vitesse de réaction (rj) est décrite par la forme d'équation suivante
:
rr = kj PA OB (7)
où PA est la pression partielle de l'espèce A dans la phase gazeuse, OB est la
proportion de sites actifs couverts par la molécule ou le fragment B, et kk
est la
vitesse spécifique de réaction.
Les résultats de la simulation indiquent que l'équilibre thermodynamique peut
être atteint en 3 à 6 secondes dans le cas du reformage du méthane en présence
de vapeur d'eau ou de mélange de vapeur d'eau et de C02, même avec une très
petite quantité de fer. Bien que le temps de réaction soit beaucoup plus grand
que ce que les catalyseurs généralement utilisés permettent de réaliser (0,2 à
0,02 seconde), on peut toutefois envisager le fer comme matériau bon marché
permettant la catalyse de réactions de reformage.
Les paragraphes suivants présentent les faits saillants reliés aux calculs de
cinétiques de réaction de reformage du méthane avec vapeur d'eau et/ou de C02
en présence du fer comme catalyseur. Les graphiques présentés aux Figures la
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à lh présentent les résultats de calculs de la modélisation sur l'évolution de
chacune des espèces chimiques, en fonction du temps, dans le cas de plusieurs
scénarios de calculs. Toutes ces simulations ont été réalisées en utilisant le
fer
comme catalyseur (lequel est considéré initialement sous forme d'oxyde
ferreux,
FeO), avec une quantité correspondant à 0,01 mole de fer par mole de méthane
dans l'alimentation.
Les simulations 3 et 6 (Figures l c et l f respectivement) ont été réalisées à
partir
de mélanges initiaux permettant de s'approcher d'une composition de gaz
souhaitable pour la production de méthanol. Un paramètre utilisé pour
caractériser la composition du gaz de synthèse destiné à la production de
méthanol est défini par le rapport suivant :
R = (nx2 - nco2) / (nco + nco2) (8)
où nH2, nc02 et nco représentent respectivement la proportion molaire de H2,
C02 et CO dans le gaz de synthèse. La valeurde R doit se situer au voisinage
de 2 dans le cas de la synthèse du méthanol. Les simulations 3 et 6 réfèrent à
un
cas de reformage du méthane avec le C02 et la vapeur d'eau. En comparant les
résultats des simulations 3 et 6, on observe que l'ajout d'un peu de vapeur
d'eau
a pour effet de favoriser une meilleure conversion du méthane (il n'y a
pratiquement plus de méthane après 2 secondes selon la Figure l f) et aussi
d'augmenter le rapport molaire H2/CO. Ceci illustre qu'il est possible en
jouant
avec l'alimentation des réactifs, de produire des mélanges gazeux ayant une
composition ajustée à la stoechiométrie d'un produit donné.
Les simulations 1, 2, 4 et 8 (Figures la, lb, ld et lh respectivement)
résident
dans l'étude du reformage à la vapeur d'eau. On constate de façon surprenante
qu'aucune réaction ne se produit en l'absence de catalyseur (Figure la). En
comparant les Figures lb et ld, on voit que l'ajout de vapeur d'eau favorise
une
meilleure conversion du méthane. Dans le cas de la Figure lb, on calcule
après 2 secondes une quantité résiduelle de 0,2 mole de méthane par mole de
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méthane alimenté, tandis que dans le cas de la Figure 1d, il n'y a
pratiquement
plus de méthane résiduel après 2 secondes.
En comparant les simulations 4 et 8 (Figures Id et lh respectivement), on voit
que l'ajout d'un surplus de vapeur d'eau a pour effet surtout d'augmenter la
teneur en C02. En effet, la vapeur d'eau favorise la réaction du gaz à l'eau.
Dans le cas de la Figure 1 d, on obtient après 2 secondes une production de
0,25
mole de C02 par mole de méthane alimenté, tandis que dans le cas de la Figure
1h, on obtient après 2 secondes 0,4 mole de C02 par mole de méthane alimenté.
En examinant les résultats des simulations 5 et 7, on s'aperçoit par contre
que
l'ajout d'oxygène résulte en une diminution de la teneur en hydrogène, une
diminution de la teneur en CO, ainsi qu'en une augmentation du C02. L'ajout
d'oxygène, même en présence de vapeur d'eau, a pour effet de générer des
molécules insaturées considérées comme des précurseurs de carbone (formation
indésirable de suie).
Tel que montré par les Figures lb à 1h, le fer rend effectivement possible une
catalyse adéquate des réactions de reformage. Dans la plupart des cas,
l'équilibre thermodynamique est pratiquement atteint en l'espace de 3 à 6
secondes à pression atmosphérique dans le cas d'une température de 1 000 K
avec aussi peu que 0,01 mole de fer par mole de méthane alimenté. Ce dernier
paramètre s'lest révélé être extrêmement important puisqu'il est au coeur de
la
présente. invention. A priori, la proportion de catalyseur requis pour la
réaction
est faible et une quantité correspondant à 0,001 mole/mole donne des résultats
de modélisation similaires. Cependant, lorsque la quantité de catalyseur
devient
trop faible, les phénomènes de diffusion deviennent importants rendant les
sites
actifs métalliques moins disponibles pour la réaction et il en résulte que les
vitesses de réactions diminuent en vertu de l'équation (7).
Dans le cadre de la mise au point de la présente invention, on a établi que la
réaction peut être catalysée par une quantité suffisante de fer chimiquement
actif
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correspondant à 0,01 mole/mole, le fer étant alors sous forme métallique ou
oxydée. En effet, dans tous les cas de réactions étudiées, l'équilibre entre
le fer
métallique et son état oxydé FeO est atteint pratiquement instantanément. Par
exemple, si l'on considère la réaction du gaz à l'eau, on obtient les
quantités
molaires suivantes (mole de produit par mole de C02 alimenté), après moins de
1ms
= H2 : 0,54 mole ;
= H2O : 0,46 mole ;
= CO : 0,45 mole ;
= C02 : 0,55 mole ;
= CH4 : 0,0015 mole ;
= Fe : 0,0021 mole ; et
= FeO : 0,0079 mole.
Surface de catalyseur et caractéristiques générales de l'invention
Le fer n'est pas coûteux et il n'est pas obligatoire de l'utiliser sous une
forme
comparables aux formes utilisées pour la fabrication de catalyseurs
traditionnels.
Dans le cas de la présente invention, on propose plutôt d'utiliser le fer sous
une
forme plus grossière, mais qui permet de l'utiliser à la fois comme médium de
chauffage, comme conducteur électrique et comme catalyseur. Avec une telle
approche, même si l'on mise sur un effet catalytique accentué par le passage
de
courant électrique et/ou l'accumulation locale de charges électriques à la
surface
des particules du garnissage, on s'exempte de l'utilisation des catalyseurs
traditionnels ou de la préparation traditionnelle de ceux-ci. On doit
toutefois
viser une mise en forme adéquate permettant d'exposer les atomes de fer aux
réactifs mais sans avoir à utiliser ce métal sous forme hautement dispersée.
Dans le cas de la présente invention, le fer est utilisé sous la forme d'un
garnissage métallique présentant un milieu poreux ayant une surface
d'exposition adéquate du métal aux réactifs gazeux. On parle
préférentiellement
d'un lit fixe qui sera chauffé par effet Joule grâce à un chauffage ohmique,
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lequel sera obtenu par le passage de courant électrique (flux électronique)
réalisé
à l'aide d'électrodes en contact avec le garnissage. Ce garnissage est contenu
dans un contenant isolé thermiquement à l'entrée duquel des réactifs gazeux
sont introduits et à la sortie duquel les produits gazeux sont évacués. Ce
5 garnissage est caractérisé par :
= la surface de catalyse requise ;
= le volume de réaction requis ;
= la porosité apparente du milieu réactionnel que constitue le garnissage ;
= les caractéristiques géométriques du garnissage ; et
10 = la résistance électrique du garnissage.
Il faut en théorie une faible quantité de fer pour réaliser la réaction à
condition
que le contact gaz / catalyseur soit suffisant (systèmes bien mélangés). Il
s'agit
de la quantité de catalyseur qui doit être répartie dans le volume réactionnel
en
15 vue de former la surface de contact requise pour réaliser la réaction. On
parle
ici d'une surface exposant les atomes de fer aux réactifs. Le volume interne
de
la chambre de réaction du réacteur est préférentiellement de forme cylindrique
lorsque le courant électrique est émis entre deux électrodes. Ce volume est
rempli par un garnissage constitué d'éléments unitaires à base de fer, lequel
20 constitue alors le garnissage, le lit ou le milieu poreux.
Préférentiellement, la
surface minimale requise de fer pour catalyser la réaction doit être
supérieure à
744 m2-s/mole de méthane (744 m2/(mole/s) de méthane). De plus, le rapport
entre la surface de catalyseur et le volume réactionnel (fraction vide du
volume
du garnissage ou porosité) doit préférentiellement être supérieur à 560 m2/m3.
25 Un tel ratio est réalisable en utilisant le fer sous des formes
géométriques
simples (p. ex. : fils d'acier, poudres, etc.). On peut par exemple obtenir
ceci
dans le cas de filaments très longs de 0,75 mm de diamètre constituant un
garnissage définissant un lit avec une porosité de 0,9 (rapport entre le
volume
vide et le volume en vrac du garnissage). On peut jouer sur le diamètre des
30 brins, sur la quantité de filaments et sur la compaction du garnissage.
Bien
entendu, d'autres formes géométriques peuvent être utilisées pour les éléments
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unitaires devant constituer le garnissage. Ceci inclut, sans s'y restreindre,
des
granules, des grains, des poudres, des limailles, des filaments, des laines,
des
fibres, des fils, des pailles, des billes, des tiges, des clous, des
rondelles, des
frittés, des plaques perforées, des morceaux de formes irrégulières tels que
des
copeaux, des boulons et des écrous ou des mélanges quelconques d'éléments de
différentes formes.
Le garnissage est destiné à former le médium de chauffage par passage de
courant à travers ce dernier (effet Joule) grâce aux propriétés électriques du
matériel du garnissage et à la possibilité de production de micro-arcs
électriques.
Ainsi, on fait én sorte que la source de chaleur ne provient pas de la phase
gazeuse mais bien du garnissage catalytique lui-même. Compte tenu des
densités de surface mentionnées plus haut, le flux de transfert de chaleur
entre le
garnissage et le milieu gazeux est sélectionné à moins de 100 W/m2-K. Ceci est
faible dans le cas de dispositifs fonctionnant à plus de 700 C, en raison du
flux
de chaleur par radiation. Le chauffage direct du catalyseur dans ces
conditions
de fonctionnement fait en sorte que la température maximale du catalyseur et
voisine de la température visée dans le milieu réactionnel.
En plus du chauffage direct du catalyseur par effet Joule, des effets
catalytiques
peuvent être soutenus et induits non seulement à cause du matériau constituant
le catalyseur, mais aussi par une disponibilité et une mobilité accrue des
électrons et/ou par la formation de micro-arcs dans le milieu poreux. Enfin,
dans la présente invention, le passage de courant (flux électronique) au
travers
du garnissage est essentiel pour maintenir l'activité chimique et les
propriétés
catalytiques du matériau constituant ledit garnissage.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES PRÉFÉRENTIELS DE
L'INVENTION
Le réacteur décrit dans la présente invention mise sur l'utilisation d'un
garnissage constituant un milieu poreux formé de composés métalliques et/ou de
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leurs oxydes. De préférence, le garnissage est constitué de particules de
petites
dimensions à base de fer ou d'acier. Ceci inclut, sans ' être limitatif, des
filaments, des laines, des fils, des pailles, des fibres, des limailles, des
frittés, des
poudres, des grains, des granules, des billes, des tiges, des clous, des
boulons,
des écrous, des copeaux, des rondelles, des plaques perforées, ou d'autres
formes régulières ou irrégulières permettant la génération d'une structure
poreuse favorisant un écoulement et une dispersion des gaz et présentant une
surface de contact suffisante avec les réactifs. Les Figures 2 et 4 illustrent
la
configuration proposée. Lesdites figures montrent une vue de profil d'un
cylindre métallique à l'intérieur duquel on aune épaisseur de réfractaire
(servant
aussi d'isolant électrique) et aussi une épaisseur d'isolant thermique
(servant
également d'isolant électrique). Ce cylindre contient le garnissage lequel est
confiné entre deux électrodes métalliques (pouvant être en acier). Les
réactifs à
traiter, lesquels sont sous la forme d'un mélange gazeux et sont injectés
simplement à l'intérieur de la structure poreuse définie par le garnissage.
Le garnissage doit avoir les caractéristiques suivantes :
= présenter une porosité et des caractéristiques géométriques permettant un
temps de séjour des réactifs gazeux suffisamment élevé, soit au moins
0,1 seconde, et préférentiellement 3 secondes, pour garantir un degré
d'avancement suffisant de la réaction ;
= présenter une surface suffisante pour le contact entre les réactifs gazeux
et le garnissage tant pour catalyser la réaction que pour chauffer les
réactifs de manière à maintenir le niveau de température requis par la
réaction, préférentiellement 744 m2-s/mole de méthane ;
= assurer un contact électrique constant entre les deux électrodes ; et
= présenter une structure poreuse permettant l'établissement de micro-arcs
électriques.
Les Figures 2 et 3 montrent un arrangement préférentiel pour lequel les
électrodes sont constituées de plaques perforées à travers lesquelles passent
les
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gaz. Ces plaques peuvent être munies de protubérances afin d'aider à une
meilleure dispersion du courant et un meilleur contact entre le garnissage et
les
électrodes. La Figure 3 présente une vue de face du disque d'une électrode
avec
un arrangement typique pouvant être considéré. L'arrangement des ouvertures
des électrodes doit assurer un écoulement uniforme des gaz dans le réacteur et
éviter les zones stagnantes. Les ouvertures seront réparties de préférence
suivant une densité correspondant à 0,5 ouverture par cm2 de surface. Le
diamètre de ces ouvertures doit être tel que la perte de charge au travers des
disques n'excède pas 0,1 atmosphère. A noter que l'agencement des ouvertures
et des protubérances peuvent être modifiées de manière à modifier le profil
d'écoulement et de dispersion des gaz à l'intérieur du garnissage. Il n'est
pas
obligatoire que ces agencements soient uniformes.
Les électrodes doivent être en contact permanent avec le garnissage
adéquatement compacté. Les protubérances mentionnées précédemment ont
pour but justement d'aider à maintenir le contact électrique et mécanique
entre
le garnissage et l'électrode. De préférence, ces protubérances sont
constituées
de pointes. Un nombre minimum de pointes correspondant à une densité de 0,5
pic par cm2 de surface de disque est recommandé et ces pics sont uniformément
répartis sur la surface de l'électrode. La dimension de ces pointes peut être
variable. On propose un diamètre pouvant varier entre 0,001 et 0,1 fois le
diamètre du garnissage (volume en vrac du milieu que constitue le garnissage)
et
une longueur se situant entre 0,001 et 0,1 fois la longueur du volume (en
vrac)
de garnissage.
De préférence, les électrodes ont des géométries semblables bien qu'elles
puissent être différentes. Les électrodes sont préférentiellement fabriquées
en
fer, en nickel ou en alliages à base de ces métaux. Dans ce cas, celles-ci
participent à la réaction, étant donné qu'elles présentent des surfaces
métalliques
ayant un effet catalytique. De plus, en faisant en sorte que les électrodes
elles-
mêmes soient mises à contribution dans le transport des gaz, on favorise une
meilleure dispersion de la chaleur pouvant être produite au niveau des
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électrodes. On cherche à faire en sorte que le garnissage ainsi que les
électrodes
retenues constituent un milieu de chauffage avec un niveau de température qui
soit le plus homogène possible.
La Figure 4 présente une variante du mode de' réalisation présenté par la
Figure 2. Dans ce cas, les électrodes ne sont pas perforées mais les gaz
circulent
perpendiculairement et à proximité de chacune des électrodes, à l'aide
d'ouvertures qui sont de préférence en position radiale. Dans les faits,
plusieurs
ouvertures également distribuées sur la circonférence du réacteur permettent
une
dispersion adéquate tant des gaz alimentés que des gaz sortant (la figure ne
montre qu'une seule ouverture pour chacune des électrodes). De plus, ces
ouvertures doivent se situer le plus près possible de chacune des électrodes.
Dans le cas des deux configurations présentées respectivement par les Figures
2
et 4, le réacteur est avantageusement muni d'ouvertures supplémentaires, de
préférence radiales, permettant l'injection de gaz devant servir de réactifs à
différents endroits dans le garnissage. L'injection des gaz réactifs tant dans
le
milieu poreux que constitue le garnissage, qu'à proximité des électrodes, est
réalisée de façon radiale ou tangentielle. Ceci est illustré par la Figure 5.
L'évacuation des gaz produits dans le réacteur est réalisée de façon radiale
ou de
façon tangentielle. La Figure 5 montre une entrée (1) et une sortie (2)
radiales,
ainsi qu'une sortie (3) et une entrée (4) tangentielles, par rapport à un lit
ou
milieu poreux défini par le garnissage (5).
Dans les faits, plusieurs autres arrangements peuvent être considérés.
Plusieurs
formes de réacteurs peuvent être envisagées. Par exemple, on peut envisager
des
réacteurs en forme de parallélépipède ou même sous forme sphérique. Différents
agencements d'électrodes peuvent être également considérés. La Figure 6
présente un arrangement typique d'électrodes interconnectées en parallèle.
Cette figure montre des ouvertures (1) pouvant servir pour l'injection de
réactifs
ou l'évacuation de gaz produits, le garnissage (2), des électrodes (3), le
tout à
l'intérieur d'un volume défini par le matériau isolant (4) (réfractaire et
isolant
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thermique). Tel que montré par la Figure 6, les électrodes sont connectées en
parallèle et sont reliées électriquement à une alimentation électrique (5). Le
fait
d'utiliser plusieurs électrodes permet éventuellement de contrôler localement
les
niveaux de chauffage du réacteur (densité de puissance générée) et le flux
5 électronique.
La Figure 7 présente un arrangement caractérisé par des électrodes connectées
en mode triphasé. Ces électrodes sont sous forme de plaques à l'intérieur d'un
cylindre (la figure montre une vue de dessus). Il est ainsi possible de
prévoir
10 trois électrodes et d'opérer avec un courant alternatif triphasé. Cette
figure
montre par ailleurs des ouvertures (1) pouvant servir pour l'injection de
réactifs
ou l'évacuation de gaz produits, le garnissage (2), des électrodes (3), le
tout à
l'intérieur d'un volume défini par le matériau isolant (4) (réfractaire et
isolant
thermique). Tel que montré par la Figure 7, les électrodes sont branchées à
une
15 alimentation électrique (5).
Il est même envisageable d'induire un courant électrique à l'intérieur du
garnissage en ajoutant une bobine d'induction autour du réacteur ou dans la
paroi réfractaire et d'utiliser une paroi non conductrice pour le réacteur.
L'arrangement présenté par les Figures 2 et 3 est privilégié. Les réactifs
gazeux
sont injectés dans une ouverture d'alimentation présentée par un tube creux
(la),
passent ensuite dans un second tube creux de métal (2a), lequel fait partie
d'une
électrode métallique elle-même constituée du tube creux (2a) et d'un disque
creux (4a). L'électrode est électriquement isolée par rapport au tube
d'alimentation (la) par l'usage d'un dispositif (5a) fait d'un matériau
isolant
électrique, permettant le passage des gaz. Les réactifs gazeux passent au
travers
des ouvertures (6) du disque creux (4a) de l'électrode et entrent en contact
avec
le garnissage métallique (7). Ce dernier constitue un milieu poreux présentant
suffisamment d'atomes du métal catalyseur en contact avec les réactifs gazeux,
et dont le volume des interstices ou des pores permet un temps de séjour des
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réactifs suffisamment grand pour favoriser le rendement de la réaction de
reformage.
Les gaz issus de la réaction sont évacués en passant au travers d'ouvertures
(6)
sur le disque creux (4b) d'une seconde électrode ou contre-électrode puis sont
évacués dans le tube creux (2b) de cette même électrode. Par la suite, les gaz
produits sont évacués dans un second tube (1b) lequel est électriquement isolé
par rapport au tube (2b) par l'usage d'un dispositif (5b) fait d'un matériau
isolant électriquement.
Le garnissage conducteur d'électricité et de chaleur (7) prenant place entre
les
deux disques définit une chambre de réaction de forme cylindrique. Cette
chambre est contenue dans une enceinte (8) dont la paroi intérieure est
couverte
d'un matériau réfractaire (9) et d'un matériau d'isolation thermique (10). Le
matériau réfractaire a une forme telle qu'elle délimite le volume de la
chambre
de réaction, lequel est défini par le diamètre des disques et le volume du
garnissage. Le diamètre du volume de garnissage est préférentiellement égal à
celui de chacun des disques des électrodes.
Le réacteur peut être muni de différentes ouvertures (3) permettant
d'injecter,
préférentiellement de façon radiale, des réactifs gazeux à l'intérieur du
milieu
poreux que constitue le garnissage, en vue d'optimiser la réaction que l'on
désire réaliser dans le réacteur.
La paroi extérieure faite d'acier est mise à la terre (16) ( ground ). Cette
paroi
est avantageusement électriquement isolée par rapport à au moins une des deux
électrodes, par l'utilisation de joints d'isolation fait de matériau
diélectrique (11)
(p. ex. : Teflon , Bakelite , etc.).
Les deux électrodes sont connectées par des points d'ancrage (12a) et (12b) à
une source d'alimentation électrique (13) de type DC (courant continu) ou AC
(courant alternatif). L'alimentation électrique sert de source d'énergie
requise
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pour la réalisation de cette réaction. La quantité d'énergie sera ajustée de
manière à maintenir le niveau de température dans le réacteur. Le niveau de
température est mesuré à l'aide d'un ou plusieurs thermocouples (14).
La Figure 4 présente un arrangement alternatif. Suivant cet arrangement, les
réactifs gazeux sont injectés dans des ouvertures (une seule est montrée par
la
figure) d'alimentation (la) pratiquées à travers la paroi du réacteur en vue
d'injecter préférentiellement de façon radiale le gaz à proximité de
l'électrode à
l'entrée (4a). Les réactifs gazeux entrent en contact avec le garnissage
catalytique conducteur d'électricité et de chaleur (7). Ce dernier constitue
un
milieu poreux présentant suffisamment d'atomes du métal catalyseur en contact
avec les réactifs gazeux et dont le volume des interstices permet un temps de
séjour des réactifs suffisamment grand pour le rendement de la réaction de
reformage.
Les gaz issus de la réaction sont évacués par passage au travers d'ouvertures
(1b) situées sur le pourtour du réacteur (une seule ouverture est montrée par.
la
figure). Ces ouvertures sont telles que les gaz évacués circulent
préférentiellement de façon radiale par rapport à la seconde électrode (4b)
avant
d'être évacués. Chacune des deux électrodes est constituée d'un disque plein,,
respectivement (4a) et (4b), se prolongeant par une tige d'alimentation de
courant, respectivement (2a) et (2b). Chacun des disques des électrodes est en
contact avec un accotement (5) de forme cylindrique fait de matériau
réfractaire.
Le réacteur peut être muni de différentes ouvertures (3) permettant d'injecter
des
réactifs gazeux préférentiellement de façon radiale à l'intérieur du milieu
poreux
que constitue le garnissage. Ceci en vue d'optimiser la réaction que l'on
désire
réaliser dans le réacteur.
Le garnissage (7) prend place entre les deux électrodes et définit une chambre
de
réaction de forme cylindrique. Cette chambre est contenue dans une enceinte
(8) contenant un matériau réfractaire (9) et un matériau d'isolation thermique
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(10). Le réfractaire a une forme telle qu'elle délimite le volume de la
chambre
de réaction, lequel est défini par le diamètre des disques et le volume en
vrac du
garnissage. Le diamètre du volume de garnissage est préférentiellement égal à
celui de chacun des disques des électrodes.
Dans tous les cas, les électrodes sont en métal, de préférence en acier
ordinaire.
Les deux électrodes peuvent être identiques ou conçues de façons différentes.
Toutefois, elles permettent un écoulement et une dispersion des gaz à
l'intérieur
du volume réactionnel défini par le milieu poreux que constitue le garnissage
contenu entre les faces adjacentes de chacun des deux disques des électrodes.
De préférence, ces électrodes sont identiques afin de simplifier la
construction
d'un tel dispositif. De plus, afin de faciliter le contact électrique entre
l'électrode et le garnissage, chaque électrode est munie de protubérances
et/ou
de saillies (15) permettant un certain agrippement.
La garnissage est préférentiellement sous forme filamenteuse comme le sont les
laines d'acier commerciales. Ce garnissage contient de la poudre ou des billes
faites de métal ou encore d'oxydes métalliques, des billes de céramiques avec
revêtement métallique, ou un mélange de ces éléments. Il contient
avantageusement des éléments métalliques de différentes formes. Le métal est
préférentiellement à base de fer mais peut être formé de n'importe quel métal
de
transition du groupe VIII ou d'un mélange de ceux-ci.
La température de fonctionnement se situe généralement entre 600 et 1.500 C.
La pression d'opération s'établit entre 0,5 et 10 atmosphères. De préférence,
l'appareil fonctionne au voisinage de la pression atmosphérique. Les gaz
alimentés à l'intérieur du réacteur sont des mélanges contenant du biogaz, du
gaz carbonique, de l'hydrogène, du méthane, de la vapeur d'eau, des
hydrocarbures légers tels que l'on en retrouve dans le gaz naturel et/ou des
composés organiques à base d'atomes de carbone, d'hydrogène, d'azote et
d'oxygène.
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Le mélange gazeux contient de l'azote, de l'argon et même un peu d'air. La
quantité d'oxygène dans les gaz est toutefois suffisamment faible afin de ne
pas
favoriser la formation de précurseurs de formation de carbone (molécules
insaturées telles que l'acétylène, composés aromatiques, etc.). La quantité
d'oxygène est de préférence inférieure à 5 % en volume dans l'alimentation du
gaz. S'il y a de l'oxygène dans le réacteur, l'ajout de vapeur d'eau aide à
empêcher ou limiter la formation de carbone.
Le mélange gazeux est préalablement désulfuré afin d'empêcher
l'empoisonnement du garnissage catalytique car le soufre est facilement
adsorbé
par le fer du garnissage. Toutefois, on peut réaliser la désulfuration des
réactifs
dans une zone du réacteur contenant un garnissage sacrificiel et remplacer le
garnissage au besoin dans cette zone ou régénérer le fer par un processus
d'oxydation de la pyrite suivant la réaction suivante :
FeS + 1,5 02 -> FeO + S02 (9)
Le remplacement du garnissage peut se faire à peu de frais surtout lorsque
celui-
ci est formé de fer ou d'aciers commerciaux.
La source électrique est constituée par un transformateur de courant dans le
cas
d'une alimentation électrique de type courant alternatif (AC) ou d'un
redresseur
de courant dans le cas d'une alimentation électrique de type courant continu
(DC). La puissance de la source électrique est calculée selon les besoins
énergétiques des réactions de reformage concernées, lesquelles obéissent aux
lois de la thermodynamique. L'intensité de courant minimum que doit fournir la
source électrique est calculée par l'équation suivante :
Iminimum = % = F (10)
dans laquelle : Iminimum est le courant minimum à appliquer, exprimé en
A;
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1 est un paramètre qui dépend de la géométrie du
réacteur, du type de garnissage, des conditions de
fonctionnement et du gaz à reformer, lequel est
empiriquement déterminée par la méthode expérimentale
5 décrite dans la description ; et
F est le débit molaire du gaz à reformer, exprimé en
mole de gaz à reformer / seconde.
Typiquement la valeur de 1 est supérieure à 15 C/mole.
EXEMPLES
Les exemples suivants ci-après présentés à titre purement illustratif ne
sauraient
en aucun cas être interprétés comme constituant une quelconque limitation de
la
présente invention. Ces exemples sont donnés afin de mieux illustrer la
présente
invention.
Exemple 1
Réacteur de laboratoire alimenté d'un mélange de méthane (CH4) et de
dioxyde de carbone (C02) saturé en vapeur d'eau (H20)
Un réacteur électrique compact de petite capacité est décrit d'une manière
générale par les Figures 2 et 3. Suivant l'assemblage d'un tel réacteur, les
réactifs gazeux, en l'occurrence le méthane (CH4), le dioxyde de carbone (C02)
et la vapeur d'eau (H20), sont injectés dans une ouverture d'alimentation
constituée d'un tube creux (la) et passent ensuite dans un second tube creux
en
métal (2a) lequel fait partie d'une électrode métallique elle-même constituée
du
tube creux (2a) et d'un disque creux (4a). Les tubes creux (la) et (2a) ainsi
que
le disque creux (4a) sont fabriqués en acier doux (acier au carbone).
L'électrode
d'entrée (2a et 4a) est électriquement isolée par rapport au tube
d'alimentation
(la) par l'usage d'un dispositif (5a) fait de Téflon , un matériaux isolant
électriquement, permettant le passage des gaz. Les réactifs gazeux passent au
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travers des ouvertures (6) du disque creux (4a) de l'électrode et entrent en
contact avec le garnissage métallique (7), lequel est constitué de laine
d'acier de
type BullDog fabriquée par Thamesvillê Metal Products Ltds (Thamesville,
Ontario, Canada). Les caractéristiques chimiques de la laine d'acier,
déterminées par analyses chimiques et exprimées en pourcentage massique, sont
les suivantes :
= Fer (Fe) : 98,5 % minimum
= Carbone (C) : 0,24 %
= Manganèse (Mn) : 0,93 %
= Soufre (S) : 0,007 %
= Phosphore (P) : 0,045 %
= Silicium (Si) : 0,11%
= Cuivre (Cu) : 0,11 %
= Nickel (Ni) : 0,03 %
= Chrome (Cr) : 0,03 %
Le réacteur fonctionne au voisinage de la pression atmosphérique ; il est en
fait
ouvert à l'atmosphère par sa sortie des gaz. Les gaz issus de la réaction (le
gaz
de synthèse) sont évacués du réacteur en passant au travers d'ouvertures (6)
sur
le disque creux (4b) d'une seconde électrode (également appelée contre-
électrode) puis sont dirigés dans le tube creux (2b) de cette même électrode.
Par
la suite, les gaz produits sont évacués dans un second tube creux (1b)
dimensions, lequel est électriquement isolé par rapport au tube creux (2b) par
l'usage d'un dispositif (5b) fait de Téflon , un matériau électriquement
isolant.
Le garnissage métallique de laine d'acier (7), conducteur d'électricité et de
chaleur, prenant place entre les deux disques, définit une chambre de réaction
de
forme cylindrique dont les dimensions sont détaillées ci-après. Cette chambre
est contenue dans une enceinte (8) fait d'acier inoxydable dont la paroi
intérieure est couverte d'alumine (9), soit un matériau réfractaire, ainsi que
de
laine d'amiante (10), soit un matériau d'isolation thermique. Les dimensions
relatives à la chambre de réaction sont les suivantes :
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= Enceinte (8) d'acier inoxydable :
o Diamètre extérieur de 16,5 cm (6,5 pouces) ;
o Longueur de 24,77 cm (9,75 pouces) ;
= Cylindre d' alumine (9) :
o Diamètre extérieur de 10,16 cm (4 pouces) ;
o Diamètre intérieur de 6,35 cm (2,5 pouces) ;
o Longueur de 10,16 cm (4 pouces).
Le cylindre réfractaire d'alumine possèdent des dimensions telles qu'elles
délimitent le volume de la chambre de réaction, lequel est défini par le
diamètre
des disques creux (4a) et (4b) ainsi que le volume du garnissage métallique
(7).
Le diamètre du volume du garnissage est égal à celui de chacun des disques
d'électrode, soit 6,35 cm (2,5 pouces). Le garnissage métallique (7) est
constitué d'une alternance de couches compactées d'approximativement 1 cm
chacune de laine d'acier BullDog à filaments fins et de laine d'acier
BullDog à filaments moyens, de manière à ce que le flux de gaz traverse
chacune des couches dans le sens de l'épaisseur. L'alternance des couches
permet d'accroître avantageusement la résistivité du garnissage. Au total, 50
g
de laine d'acier constitue le garnissage, soit 25 g du type à filaments fins
et 25 g
du type à filaments moyens. La paroi extérieure est faite d'acier inoxydable
(8)
et est mise à la terre (16) ( ground ). Cette paroi est électriquement
isolée par
rapport à chacune des deux électrodes par l'utilisation de joints d'isolation
fabriqués à partir de Téflon (11).
Les deux électrodes, fabriquées en acier doux (acier au carbone), sont
connectées par des points d'ancrage (12a) et (12b) à une source d'alimentation
électrique (13) de type courant continu (DC), celle-ci étant un redresseur de
courant de marque Rapid d'une puissance de sortie maximale correspondant à
300 ampères et 12 volts. L'électrode d'entrée des gaz est raccordée à la borne
positive (cathode) du redresseur de courant, tandis que l'électrode de sortie
de
gaz est raccordée à la borne négative (anode). Une des deux électrodes est
mobile dans l'axe de la longueur du réacteur, c'est-à-dire qu'elle peut être
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déplacée en cours de fonctionnement de manière à maintenir un contact
électrique adéquat entre le garnissage et les électrodes au fur et à mesure
que le
garnissage métallique pourrait voir sa géométrie modifiée.
Les dimensions et caractéristiques relatives à l'électrode d'entrée sont les
suivantes :
= Tube creux (la)
:
o Longueur de 2,54 cm (1 pouce) ;
o Diamètre nominal de 1,27. cm (0,5 pouce) ;
= Tube creux (2a) :
o Longueur de 30,48 cm (12 pouces) ;
o Diamètre nominal de 1,27 cm (0,5 pouces) ;
= Disque creux (4a) :
o Épaisseur totale d'environ 1,27 cm (0,5 pouce) correspondant à
l'épaisseur de deux disques de 0,635 cm (0,25 pouce) chacun,
lesquels sont assemblés par soudage tel qu'illustré à la Figure 9,
le premier disque comportant un trou central de 1,27 cm
(0,5 pouce) pour le tube creux (2a) et le second, adjacent au
garnissage métallique, comportant les saillies (15) et les
ouvertures (6) ;
o Diamètre de 6,35 cm (2,5 pouces) ;
o Saillies (15) de 0,635 cm (0,25 pouce), au nombre de 13 et
réparties tel qu'illustrées à la figure '9 ;
o Ouvertures (6) de trois diamètres différents, au nombre total de
32, soit 8 grands de 5,95 mm (15/64 pouce), 16 moyens de
3-,18 mm (1/8 pouce) et 8 petits de 2,38 mm (3/32 pouce),
réparties tel qu'illustrées à la Figure 9, avec les ouvertures de
plus grandes dimensions dans le sens radial.
Les dimensions et caractéristiques relatives à l'électrode de sortie sont les
suivantes :
:
= Tube creux (1b)
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o Longueur de 2,54 cm (1 pouce) ;
o Diamètre nominal de 1,27 cm (0,5 pouce) ;
= Tube creux (2b) :
o Longueur de 30,48 cm (12 pouces) ;
o Diamètre nominal de 1,27 cm (0,5 pouce) ;
= Disque creux (4b) :
o Épaisseur totale d'environ 1,27 cm (0,5 pouce) correspondant à
l'épaisseur de deux disques de 0,635 cm (0,25 pouce) chacun,
lesquels sont assemblés par soudage tel qu'illustré à la Figure 9,
le premier disque comportant un , trou central de 1,27 cm
(0,5 pouce) pour le tube creux (2b) et le second, adjacent au
garnissage métallique, comportant les saillies (15) et les
ouvertures (6) ;
o Diamètre de 6,35 cm (2,5 pouces) ;
o Saillies (15) de 0,635 cm (0,25 pouce), au nombre de 20 et
réparties tel qu'illustrées à la figure 9 ;
o Ouvertures (6) de deux diamètres différents, au nombre total de
24, soit 8 grands de 5,95 mm (15/64 pouce) et 16 moyens de
3,18 mm (1/8 pouce), réparties tel qu'illustrées à la Figure 9,
avec les ouvertures de plus grandes dimensions dans le sens
radial.
La distribution homogène des gaz dans la chambre de réaction est assurée par
le
fait, d'une part, que les électrodes comportent des ouvertures de plus grandes
25- dimensions dans le sens radial, et d'autre part, que l'électrode de sortie
ne
possède pas d'ouverture vers le centre, tandis que c'est le cas pour
l'électrode
d'entrée (voir Figure 9).
La température de fonctionnement se situe entre 700 et 800 C ; celle-ci est
principalement obtenue par le passage du courant électrique. La température
est
mesurée à l'aide de trois thermocouples (14) fins (1/16 pouce) de type K,
chacun étant recouvert d'une gaine fine (1/8 pouce) en céramique. Un premier
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est introduit dans le réacteur, par le cylindre d'alumine (9), de manière à ce
que
son extrémité soit le plus près possible du garnissage catalytique mais sans y
toucher. Les deux autres thermocouples sont introduits dans les électrodes
d'entrée et de sortie, à proximité des ouvertures (6). La Figure 8 montre un
5 schéma de l'arrangement général du réacteur de laboratoire.
La description supra concerne spécifiquement le réacteur. Celui-ci est de
toute
évidence accompagné d'appareils annexes formant ainsi un banc d'essai
complet. La Figure 10 présente une description générale du banc d'essai.
10 Celui-ci comprend notamment les composantes suivantes :
= Le réacteur de laboratoire tel que décrit supra ;
= Le redresseur de courant tel que décrit supra ;
= Un générateur de vapeur d'eau (utilisation optionnelle) ;
= Un saturateur (barboteur) de vapeur d'eau (utilisation optionnelle) ;
15 = Un compteur de gaz ( Wet Test Meter ) ;
= Des débitmètres pour les mesures de débit de chacun des gaz pouvant
éventuellement être alimentés : méthane (CH4), dioxyde de carbone
(C02) et azote (N2) ;
= Des bouteilles de gaz comprimés telles que fournies par la
20 compagnie Boc-Gaz : méthane (CH4), dioxyde de carbone (C02) et
azote (N2), tous d'une pureté de 99 % ;
= Des jauges de pressions pour chacun des circuits de gaz ;
= L'instrumentation permettant notamment la lecture des températures
mesurés par les thermocouples.
Dans le présent exemple, le barboteur est employé pour saturer de vapeur d'eau
le mélange des gaz réactifs (CH4 et C02). Le générateur de vapeur n'est pas
utilisé pour cet exemple. L'injection d'eau dans le réacteur est donc possible
par saturation de mélange gazeux par contact avec de l'eau chaude. Ainsi, les
gaz réactifs sont préalablement alimentés dans le saturateur, lequel contient
de
l'eau chaude. Le saturateur est en fait un vaisseau en acier inoxydable à
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l'intérieur duquel les gaz réactifs sont mis en contact avec de l'eau, à une
température donnée. La température du mélange saturé est mesurée directement
à sa sortie du vaisseau. Cette température correspond au point de rosée du
mélange ; elle permet de quantifier la fraction molaire de l'eau dans le
mélange
gazeux destiné à être injecté dans le réacteur. Le point de rosée est
généralement entre 80 et 85 C. Le Tableau 2 indique la variation de la
composition calculée du mélange injecté dans le réacteur en fonction du point
de
rosée du mélange saturé.
Tableau 2
Variation de la proportion de vapeur d'eau en fonction
de la température dans un mélange saturé contenant
1/3 mole de dioxyde de carbone (C02)
par mole de méthane (CH4)
Température à saturation Proportion de vapeur d'eau
(Point de rosée) (Fraction volumique)
( C)
80 0,47
81 0,49
82 0,51
83 0,53
L'opération du réacteur se fait suivant la procédure décrite ci-après. Pour
réaliser le démarrage d'un essai, le réacteur est d'abord préchauffé en
augmentant progressivement le courant par incrément de 10 A à intervalles de 5
minutes avec injection d'azote (N2) à un débit de 1,0 L/min. Lorsque la
température atteint 300 à 400 C, un petit jet d'air est projeté sur les
embouts en
Téflon du réacteur de manière à refroidir localement ces deux embouts. Par la
suite, l'injection des gaz réactifs débutent, ceux-ci étant saturés de vapeur
d'eau
le cas échéant. Le dioxyde de carbone (C02) est toujours injecté avant le
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méthane (CH4), ceci afin d'éviter la formation de suie à l'intérieur du
réacteur.
Les débits des gaz sont ajustés suivant des valeurs de consignes déterminées
d'avance. Une fois que les débits des gaz réactifs sont atteints, l'injection
d'azote est arrêtée et le courant électrique est ajusté de manière à obtenir,
dans le
réacteur, la température choisie. Pour les fins de l'opération, la température
de
travail est celle mesurée à l'électrode de sortie des gaz. Pour l'arrêt de
l'essai, le
débit d'azote est rouvert à 1,0 L/min, puis on ferme l'alimentation du méthane
(CH4), ensuite on ferme celle du dioxyde de carbone (C02) et enfin, on ferme
le
redresseur de courant. Le réacteur est laissé refroidir avec le débit d'azote
(N2)
jusqu'à une température interne de 300 à 400 C. A cette température, on ferme
finalement l'alimentation de l'azote.
Les gaz d'entrée et de sortie sont analysés à l'aide d'un chromatographe en
phase gazeuse de type micro-GC, soit un modèle CP2003 de la compagnie
Varian. Ce chromatographe est équipé de trois colonnes pour lesquelles la
phase stationnaire et le gaz vecteur varient selon les gaz à analyser. Le
détecteur
est de type à conductivité thermique. Des mélanges certifiés de gaz provenant
de la compagnie Boc-Gaz sont utilisés pour le calibrage du chromatographe.
Les gaz à analyser sont recueillis dans des sacs en Tedlar (polyfluorure de
vinylidène). La procédure d'échantillonnage est décrite ci-après. Le sac est.
d'abord rincé 3 fois avec de l'azote (N2), puis 3 fois avec le gaz à analyser.
Ensuite, le sac est rempli à environ 80 % de sa capacité avec le gaz à
analyser :
ceci constitue l'échantillon. Pour le prélèvement des gaz produits, le sac est
raccordé à la sortie du réacteur afin de minimiser l'infiltration d'air à
l'intérieur
du sac. Un temps d'attente avant l'analyse est alors requis pour que
l'échantillon soit à la température ambiante.
Le présent exemple décrit le fonctionnement du réacteur de laboratoire dans
des
conditions spécifiques décrites ci-après (essai de reformage n 61102). Les
débits des réactifs gazeux sont ajustés aux valeurs suivantes : 0,08 sL/min
pour
le dioxyde de carbone (C02) et 0,25 sL/min pour le méthane (CH4) (le s
désignant standard , soit 20 C et 1 atmosphère). Ces réactifs gazeux sont
au
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préalable saturés de vapeur d'eau par barbotage dans le saturateur. La
température de saturation du mélange gazeux injecté dans de réacteur est de
81 C. La fraction volumique de vapeur d'eau du gaz alimenté dans le réacteur
est conséquemment de 0,49 (voir Tableau 2). Après le démarrage de l'essai,
effectué suivant la procédure décrite supra, le courant West ajusté de manière
à
atteindre une température d'environ 780 C ( 20 C) à l'électrode de sortie.
Le Tableau 3 révèle les principaux paramètres mesurés aux temps
correspondants à la prise des échantillons.
Tableau 3
Principaux paramètres mesurés lors de la prise des échantillons
de l'essai de reformage n 61102
Échantillon Temps Voltage Courant Résistance Puissance Température
(n ) (min) (V) (A) (Ohm) (W) ( C)
1 15 3,11 141 0,0221 439 805
2 80 2,98 143 0,0208 426 795
3 195 2,80 148 0,0189 414 793
4 250 2,73 156 0,0175 426 771
5 290 2,62 156 0,0168 409 763
Le Tableau 4 dévoile la composition du mélange gazeux recueilli à la sortie du
réacteur, cette composition étant déterminée par les analyses chimiques
effectuées par micro-GC sur chaque échantillon prélevé.
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Tableau 4
Résultats des analyses chimiques du mélange gazeux produit
lors de l'essai de reformage n 61102
Échantillon Concentration volumique normalisée base anhydre
H2 CO 02 CH4 C02
(11 ) (%) (%) (%) (%) (%)
1 67,86 29,80 0,59 0,41 1,35
2 70,53 26,35 1,29 0,96, 0,88
3 64,08 33,50 0,48 0,58 1,36
4 68,06 29,24 0,51 1,36 0,82
5 68,98 27,95 0,36 1,78 0,92
Les résultats présentés dans le Tableau 4 concordent, à l'intérieur de
l'erreur
expérimentale, avec les valeurs basées sur des calculs d'équilibre.
thermodynamique pour un même niveau de température.
Exemple 2
Réacteur de laboratoire alimenté d'un mélange de méthane (CH4) et de
dioxyde de carbone (C02) saturé en vapeur d'eau (H20)
Ce second exemple décrit le fonctionnement du réacteur de laboratoire suivant
des conditions opératoires semblables à celles indiquées à l'exemple 1 (essai
de
reformage n 71102). Pour cet exemple, la période de fonctionnement `est de
340 minutes.
Le Tableau 5 révèle les principaux paramètres mesurés aux temps
correspondants à la prise des échantillons.
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Tableau 5
Principaux paramètres mesurés lors de la prise des échantillons
de l'essai de reformage n 71102
Échantillon Temps Voltage Courant Résistance Puissance Température
(n ) (min) (V) (A) (Ohm) (W) ( C)
1 85 2,75 155 0,0177 426 793
2 160 2,54 160 0,0159 406 775
3 220 2,44 160 0,0153 390 764
4 280 2,47 168 0,0147 415 763
5 340 2,47 175 0,0141 432 762
5
Les résultats présentés au Tableau 6 concordent aisément, à l'intérieur de
l'erreur expérimentale, avec les valeurs basées sur des calculs d'équilibre
thermodynamique pour un même niveau de température.
10 Tableau 6
Résultats des analyses chimiques du mélange gazeux produit
lors de l'essai de reformage n 71102
Échantillon Concentration volumique normalisée base anhydre
H2 CO 02 CH4 C02
(n ) (%) (%) (%) (%) (%)
1 58,07 33,54 0,47 0,80 7,12
2 61,09 35,44 0,25 1,86 1,37
3 61,50 32,83 0,37 4,63 0,67
4 64,32 30,95 0,27 3,91 0,54
5 64,37 31,22 0,32 3,44 0,64
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En résumé, la présente invention est basée sur une utilisation judicieuse de
l'électricité caractérisée notamment par ce qui suit :
= ne pas avoir recours à des processus de transformation de courant misant
sur l'électronique de puissance ;
= mettre à contribution un flux électronique par passage de courant pour
soutenir des phénomènes de catalyse ; et
= potentiellement favoriser l'établissement de micro-arcs électriques
dispersés pour catalyser davantage la réaction de reformage.
L'utilisation du chauffage ohmique d,un garnissage par conduction directe
s'est
révélée représenter une façon simple d'introduire l'électricité en tant que
source
de chaleur pour l'accomplissement de réactions endothermiques. L'électricité
peut être à courant continu ou à courant alternatif, voire triphasé. Dans le
cas où
on aurait recours à du courant alternatif à la fréquence du réseau, la
transformation du courant se ramène simplement à un ajustement du potentiel
électrique par le recours à de simples transformateurs.
Il a donc été .possible de chauffer électriquement un garnissage constitué de
métaux connus pour catalyser des réactions de reformage du gaz naturel à la
vapeur d'eau. Le garnissage utilisé s'est ainsi avéré constituer à la fois un
médium de chauffage et un catalyseur permettant de réaliser la réaction. Ce
métal a ainsi efficacement pu être utilisé sous la forme de poudre, d'un 'lit
de
granules, de billes, de tiges, de plaquettes ou encore sous une forme d'une
structure filamenteuse en autant que la surface de contact était suffisante
pour
chauffer les gaz et catalyser le processus de transformation.
Bien que la présente invention ait été décrite à l'aide de mises en oeuvre
spécifiques, il est entendu que plusieurs variations et modifications peuvent
se
greffer aux dites mises en oeuvre, et la présente invention vise à couvrir de
telles
modifications, usages ou adaptations de la présente invention suivant en
général,
les principes de l'invention et incluant toute variation de la présente
description
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qui deviendra connue ou conventionnelle dans le champ d'activité dans lequel
se
retrouve la présente invention, et qui peut s'appliquer aux éléments
essentiels
mentionnés ci-dessus, en accord avec la portée des revendications suivantes.
