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DISPOSITIF GENERATEUR D' HYDROGENE A PARTIR D'HYDROCARBURE, D'EAU ET D'OXYGENE
COMPRENANT UNE ENCEINTE DE REACTION ET D'ECHANGES THERMIQUES
L'invention est relative à un dispositif générateur
d'hydrogène à partir d'oxygène, d'eau et d'un hydrocarbure
gazeux ou liquide.
Elle concerne plus particulièrement un dispositif de
reformage pour générer de l'hydrogène.
On sait que l'hydrogène est le gaz utilisé pour
l'alimentation des piles à combustibles qui constituent des
générateurs d'électricité de rendement élevé. La généralisation
de l'utilisation des piles à combustibles devrait contribuer à
réduire l'effet de serre.
La génération d'hydrogène nécessaire aux piles à
combustible ou à d'autres applications industrielles peut être
obtenue en faisant réagir un hydrocarbure et de l'eau.
L'hydrocarbure, le plus souvent utilisé pour produire de
l'hydrogène, est le gaz naturel (principalement constitué de
méthane, mais aussi d'éthane ou propane), dans un réacteur de
vaporeformage catalytique. Mais de l'hydrogène peut également
être produit à partir d'autres hydrocarbures, notamment des
coupes pétrolières telles que du gazole, le naphta, le kérosène,
l'essence, le gaz de pétrole liquéfié (propane, butane), et des
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bio combustibles tels que les biogaz, les huiles végétales ou
leurs esters, l'éthanol ou le méthanol, en adaptant les
conditions de température et les catalyseurs à l'hydrocarbure et
au procédé qui peut être un vaporeformage, une oxydation
partielle ou encore un vaporeformage autotherme.
L'hydrogène est produit en général en deux étapes.
Au cours d'une première étape appelée reformage ,
le carbone de l'hydrocarbure se combine avec l'oxygène de l'eau
pour fournir principalement le monoxyde de carbone C0 et dégager
de l'hydrogène. Ensuite, au cours d'une seconde étape, le
monoxyde C0 est encore combiné avec l'eau pour fournir le
dioxyde C02 et de l'hydrogène H2.
L'opération de reformage qui produit C0 + H2 est une
réaction endothermique, c'est-à-dire une réaction à laquelle il
faut apporter de la chaleur. A cet effet, on utilise une
réaction exothermique qui est constituée par la combustion d'une
fraction du flux de l'hydrocarbure avec un flux oxygéné. Ainsi,
une fraction de l'hydrocarbure constitue un combustible pour
apporter de la chaleur et la fraction complémentaire de
l'hydrocarbure constitue le réactif principal qui va fournir
l'hydrogène. On comprend donc qu'il faut minimiser la fraction
d'hydrocarbure brûlée pour maximiser la fraction d'hydrocarbure
reformée.
Les gaz de reformage sont produits à haute température
et la chaleur qu'ils contiennent peut être récupérée pour
préchauffer les fluides entrant dans la chambre de réaction, ou
réactifs, à savoir l'eau, l'hydrocarbure et le flux oxygéné (qui
peut être l'oxygène de l'air ou de l'oxygène pur, ou un
mélange) . Ainsi, la réaction de reformage est effectuée avec des
réactifs chauds, ce qui permet de diminuer la fraction
d'hydrocarbure brûlé.
Un but de l'invention est de fournir un dispositif
permettant de minimiser les pertes thermiques vers
l'environnement extérieur et donc d'améliorer le rendement du
générateur d'hydrogène.
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Un autre but est de réduire le volume du dispositif
générateur d'hydrogène en rassemblant les différentes étapes
dans une même enceinte afin notamment de faciliter son
intégration mécanique.
Un autre but encore est de limiter ou supprimer les
connections de fluides ou réactifs chauds entre les différents
modules ou étapes du procédé de génération d'hydrogène
(préchauffage de l'eau, évaporation, surchauffe, préchauffage du
flux oxygéné, préchauffage de l'hydrocarbure, mélange et
réaction chimique, refroidissement des gaz de reformage...),
diminuant ainsi les pertes thermiques et les problèmes
thermomécaniques des liaisons chaudes entre plusieurs enceintes
sous pression.
Le dispositif de reformage conforme à l'invention est
destiné à produire de l'hydrogène à partir d'hydrocarbure,
notamment du gazole, d'eau et d'oxygène. Il peut également
fonctionner à partir d'autres hydrocarbures mentionnés ci-dessus
tels que le kérosène, le naphta, l'essence, le gaz de pétrole
liquéfié, le gaz naturel et des biocombustibles tels que les
huiles végétales ou leurs esters, l'éthanol. Il peut également
être adapté pour utiliser de l'air ou un autre flux oxygéné à la
place de l'oxygène pur. Il comprend :
- une chambre de réaction dans laquelle sont
introduits les fluides réactifs pour réaliser une réaction de
reformage qui produit de l'hydrogène et des oxydes de carbone à
partir des réactifs, cette réaction étant réalisée à haute
température,
- une première zone sensiblement cylindrique entourant
la chambre de réaction et dans laquelle circule un mélange de
vapeur d'eau et d'hydrocarbure à introduire dans la chambre de
réaction, à l'exclusion des produits de la réaction, cette zone
étant séparée de la chambre de réaction de façon à récupérer, au
moins en partie, la chaleur perdue par la chambre de réaction,
de façon à préchauffer le mélange circulant dans la première
zone, le ou les réactif(s) étant en contact direct avec les
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parois de cette première zone pour réaliser des échanges
thermiques,
- une seconde zone sensiblement cylindrique entourant
la première zone et dans laquelle circule de l'eau afin de la
préchauffer et de la vaporiser, l'eau étant en contact direct
avec les parois de cette seconde zone, la séparation entre la
première et la seconde zone étant telle que l'eau circulant dans
la seconde zone récupère de la chaleur perdue par la première
zone afin de préchauffer l'eau, et
- des moyens pour mélanger l'eau de la seconde zone à
l'hydrocarbure avant d'introduire le mélange sous forme de
vapeur dans la première zone,
l'ensemble étant tel que la face interne de la paroi
externe du dispositif, qui est constituée par la face interne de
la paroi externe de la seconde zone, en contact avec l'eau, soit
à une température sensiblement inférieure à la température de la
chambre de réaction.
Ainsi, la température de la chambre de réaction qui
est de l'ordre de 800 à 1 400 C, selon les hydrocarbures, là où
s'effectue le reformage, est entourée par la première zone dans
laquelle circule un mélange de vapeur d'eau et d'hydrocarbure
dont la température est de l'ordre de 500 à 900 C, la chaleur de
ce mélange de fluides étant apportée par la chambre de réaction
et cette première zone est entourée elle-même par la seconde
zone à une température par exemple de l'ordre de 270 C quand la
pression dans le dispositif est de l'ordre de 55 bars.
Toutefois, le dispositif peut être adapté pour un fonctionnement
à d'autres pressions, dans la plage de 1 à 100 bars.
La chambre de réaction est thermiquement isolée de
l'extérieur par les enveloppes que constituent les deux zones et
la face interne de la paroi extérieure est à une température de
l'ordre de 270 C, c'est-à-dire à une température très nettement
inférieure à celle de la réaction. Il n'y a que très peu de
pertes thermiques et le rendement énergétique est optimisé. Dans
ces conditions, le choix des matériaux constitutifs de cette
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paroi externe, qui doit en général résister à la pression, est
plus aisé que si la paroi externe était à une température du
même ordre de grandeur que la température de la chambre de
réaction ou encore de la première zone.
5 Dans une réalisation, la chambre de réaction comporte
deux parties dont la première est le siège de la réaction et la
seconde constitue un canal d'évacuation des produits de la
réaction, ces deux parties étant telles que l'échange thermique
entre la seconde partie de la chambre de réaction, la plus
proche de la sortie des produits de la réaction, et la première
zone est sensiblement plus important que l'échange thermique
entre la première partie de la chambre de réaction et la
première zone.
De préférence, dans cette réalisation, le canal
d'évacuation est de configuration sensiblement rectiligne et les
produits ne circulent que dans un seul sens dans ce canal
d'évacuation. Ainsi, il n'y a pas d'obstacle à l'évacuation et
de cette manière, l'évacuation s'effectue de façon rapide et
simple. Du fait de la configuration du dispositif, la
réalisation est aisée et peu onéreuse. De plus, la fiabilité du
dispositif est importante puisqu'il n'existe pas de paroi
transversale soumise à un flux de chaleur trop important. En
particulier, il n'existe pas de serpentin, ni de faisceau de
tubes, ni d'ailette immergé dans l'écoulement des produits
chauds. Ainsi, les contraintes mécaniques sont minimisées, en
particulier parce que la température est plus homogène et, en
moyenne, plus basse. Du fait de cette température plus basse, la
corrosion est minimisée. En conséquence, la durée de vie est
augmentée.
De préférence, dans ce cas, le dispositif comporte une
troisième zone à l'intérieur de la seconde partie de la chambre
de réaction, cette troisième zone étant destinée à récupérer par
échange thermique de la chaleur de cette seconde partie de la
chambre de réaction, afin de préchauffer des réactifs ou des
fluides qui circulent dans cette troisième zone, la paroi
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séparant les réactifs ou fluides, d'une part, et les produits de
la réaction à haute température, d'autre part, étant
sensiblement cylindrique et lisse. Cette troisième zone
comporte, dans une réalisation :
- des moyens pour surchauffer la vapeur d'eau,
- des moyens pour vaporiser un hydrocarbure liquide et le
mélanger à la vapeur d'eau, et
- éventuellement, des moyens pour surchauffer le mélange
de vapeur d'eau et d'hydrocarbure.
En variante, l'hydrocarbure est gazeux et la troisième
zone comporte :
- des moyens pour faire circuler de l'eau afin de la
surchauffer,
- des moyens pour mélanger l'hydrocarbure gazeux avec la
vapeur d'eau, et
- éventuellement, des moyens pour surchauffer le mélange
de vapeur d'eau et d'hydrocarbure gazeux.
Dans une réalisation, le dispositif comprend
- des moyens pour créer de fines gouttelettes
d'hydrocarbure liquide,
- des moyens pour mélanger ces gouttelettes avec de la
vapeur d'eau, la température de la vapeur d'eau permettant la
vaporisation d'une fraction au moins des gouttelettes, et
- une surface chaude, notamment chauffée par échange
thermique avec la chambre de réaction, à une température
suffisante pour vaporiser la fraction des gouttelettes non
vaporisées par mélange avec la vapeur d'eau,
- les moyens de création de gouttelettes projetant ces
dernières vers la surface chaude.
Ainsi, on obtient un moyen de vaporisation rapide de
l'hydrocarbure qui évite la cokéfaction, c'est-à-dire le
craquage de l'hydrocarbure avec production de suie. Ce moyen
peut d'ailleurs être utilisé indépendamment de la structure du
dispositif de génération d'hydrogène faisant l'objet de la
présente demande.
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Cette disposition de l'invention permet d'accorder le
débit de liquide avec le débit de vapeur. En particulier, on
s'assure que l'intégralité de l'hydrocarbure liquide introduit
est vaporisée de façon quasi-instantanée.
La pulvérisation en gouttelettes permet de maximiser la
surface d'échange du liquide avec l'environnement gazeux chaud
et contribue au résultat d'égalité entre les débits instantanés
de liquide introduit et de liquide vaporisé.
Selon encore une autre disposition de l'invention, qui
peut s'utiliser indépendamment des dispositions exposées ci-
dessus, on prévoit un espace annulaire, par exemple dans l'une
des zones, comportant des moyens pour assurer une circulation
hélicoïdale du fluide, afin d'homogénéiser la température des
parois et du fluide circulant dans cet espace annulaire, ces
moyens de circulation hélicoïdale étant en outre agencés pour
réaliser une fonction d'entretoise entre les parois de cet
espace annulaire.
De préférence, dans ce cas, l'espace annulaire constitue
un espace d'échange thermique, agencé pour que le pas de la
circulation hélicoïdale soit tel que les échanges thermiques
soient optimisés.
Selon une réalisation, la chambre de réaction comporte
une partie de combustion dans laquelle s'effectue une combustion
pour laquelle la température est sensiblement supérieure à la
température dans le reste de la chambre de réaction, cette
partie ayant une forme sensiblement cylindrique, et le
dispositif comporte :
- des moyens pour injecter dans la partie de combustion
le mélange de vapeur d'eau et d'hydrocarbure de façon
sensiblement tangentielle le long des parois, et
- des moyens pour injecter l'oxygène en direction de
l'axe de la partie de combustion,
- l'ensemble étant tel que le mélange de vapeur d'eau et
d'hydrocarbure injecté de façon sensiblement tangentielle
constitue une protection thermique de la paroi cylindrique de la
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partie de combustion, la combustion se produisant au voisinage
de l'axe et la protection étant réalisée par constitution d'un
écran de gaz protégeant la paroi contre la chaleur produite tant
par convection que par rayonnement.
On notera que cette réalisation peut aussi être utilisée
indépendamment des autres dispositions de l'invention. En
particulier, elle peut être utilisée indépendamment de la
structure du dispositif à chambre de réaction entourée par deux
zones annulaires.
Dans une réalisation, le dispositif comprend à une
extrémité, à laquelle aboutissent la chambre de réaction et les
première, seconde et troisième zones, un bloc comportant :
- des moyens pour canaliser les fluides et assurer les
connexions des zones entre elles ou avec l'environnement
externe,
- des moyens pour fixer certaines des parois séparant les
différentes zones et la chambre de réaction et assurer
l'étanchéité entre ces zones, la chambre de réaction et
l'environnement extérieur, et
- des moyens pour permettre le démontage d'au moins
certaines desdites parois.
De préférence, les fluides réactifs sont introduits dans
les différentes zones et dans la chambre de réaction à une
pression sensiblement supérieure à la pression atmosphérique.
Dans ce cas, la seconde zone peut être délimitée par,
d'une part, une paroi extérieure résistant à la pression et,
d'autre part, une paroi intérieure qui est solidaire de cette
paroi extérieure.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
apparaîtront avec la description de certains de ses modes de
réalisation, cette description étant effectuée en se référant
aux dessins ci-annexés sur lesquels :
la figure 1 est un schéma d'une partie d'un dispositif
de reformage conforme à l'invention,
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la figure 2 est un schéma d'une partie du dispositif
montré sur la figure 1,
la figure 3 est un schéma d'une autre partie du
dispositif de reformage selon l'invention, et
la figure 4 est un schéma montrant l'assemblage des
parties du dispositif montrées sur les figures 1 et 3.
On va maintenant décrire en relation avec les figures
un mode de réalisation d'un dispositif générateur d'hydrogène
(ou reformeur). Ce dispositif produit un mélange principalement
de H2 et de C0, contenant également C02 et H20 qui est introduit
dans un autre dispositif (non montré) qui produit encore de
l'hydrogène à partir de l'action de H20 sur le C0 pour le
transformer en C02.
Conformément à l'invention, le dispositif 10
représenté sur la figure 1 comporte une partie centrale ou coeur
constituant la chambre de réaction 12, ou le reformeur lui-même,
sa température étant adaptée au reformage du gazole, entre 1 000
et 1 400 C, et ce coeur est entouré par une première zone
annulaire 14 dans lequel circule un mélange eau + gazole à une
température de 400 à 900 C (typiquement 700 C) qui récupère la
chaleur perdue par le reformeur 12.
La première zone annulaire 14 est elle-même entourée
par une seconde zone annulaire 16 constituant un préchauffeur et
vaporiseur d'eau. La pression régnant dans le dispositif étant,
dans l'exemple, de 55 bars, la température du vaporisateur d'eau
est 270 C, c'est-à-dire la température d'ébullition de l'eau à
cette pression de 55 bars. Le vaporisateur 16 récupère la
chaleur cédée par le mélange eau + gazole dans la première zone
annulaire 14.
Ainsi, la paroi extérieure 18 du dispositif est à une
température de 270 C, ce qui permet la sélection d'un métal
résistant à la température modérée de l'enveloppe et à la
pression élevée régnant dans le dispositif.
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Le dispositif présente une forme générale cylindrique
d'axe 20 représenté verticalement sur la figure.
La chambre de réaction 12 comporte dans sa partie
haute une chambre de combustion 22 de diamètre plus réduit que
5 celui de la chambre 12.
La chambre de réaction ou reformeur 12 comporte deux
parties 24 et 26. Dans la première partie 24 s'effectue la
réaction de reformage à une température élevée, de 1000 à
1 400 C dans la réalisation du dispositif présentée ici. Cette
10 partie 24 contient dans sa partie supérieure la chambre de
combustion 22.
La seconde partie 26 de la chambre 12 constitue
principalement une partie d'évacuation des produits de réaction,
les gaz de reformage, et d'échanges thermiques avec les fluides
réactifs à préchauffer avant leur entrée dans la chambre 12. La
hauteur de la partie 26 est optimisée pour que les échanges
thermiques soient suffisants ; dans la réalisation présentée
ici, elle est supérieure à celle de la zone 24. En partie
inférieure, les gaz de reformage ont ainsi été refroidis à une
température de l'ordre de 350 à 450 C.
La paroi cylindrique externe 30 de la partie
supérieure 24 de la chambre 12 a principalement une fonction
d'isolation thermique tandis que la paroi cylindrique 32 de la
partie inférieure 26 de la chambre 12 a principalement pour
fonction l'échange thermique avec la zone annulaire 14.
La paroi 34 séparant les zones annulaires 14 et 16 a
principalement une fonction d'échange thermique entre ces zones.
La paroi 34 est solidaire de la paroi extérieure 18.
La seconde zone annulaire 16, la plus éloignée de
l'axe 20, présente à sa partie inférieure des ouvertures 36
recevant de l'eau à la température ambiante, soit 25 C environ
et en partie supérieure, cette zone 16 présente des ouvertures
d'évacuation 38 de vapeur, l'eau s'étant vaporisée dans cette
zone 16 à la température de 270 C. La vaporisation est obtenue
par la chaleur récupérée de la zone 14.
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La vapeur d'eau sortant de la zone 16 est introduite
dans une zone centrale 40 occupant sensiblement la hauteur de la
partie inférieure 26 de la chambre 12. Cette zone centrale
constitue une troisième zone de récupération de chaleur.
Cette troisième zone comporte elle-même une zone
annulaire externe 42 dans laquelle la vapeur d'eau, introduite
en partie inférieure à 270 C, est surchauffée pour atteindre en
partie supérieure la température de 500 à 700 C. La surchauffe
de la vapeur d'eau est obtenue grâce à la paroi échangeuse
externe 46 de la zone 40 qui est en contact avec les gaz de
reformage.
A l'intérieur de la paroi cylindrique interne 48 de la
zone annulaire 42, se trouve une canne 50 d'introduction du
gazole constituée par un tube de diamètre sensiblement inférieur
à celui du tube 48. La canne 50 est constituée de matériau
thermiquement isolant de façon à éviter l'échauffement et la
cokéfaction du gazole qui circule dans le tube 48.
Cette canne présente à son extrémité supérieure 54 un
gicleur qui pulvérise en fines gouttelettes le gazole introduit
en partie inférieure. Ainsi, le gazole entre en contact avec la
vapeur d'eau surchauffée. Il se vaporise quasi-immédiatement. Si
des gouttelettes de gazole ne sont pas vaporisées par mélange
avec la vapeur d'eau surchauffée, elles le sont par contact avec
la paroi concave 56 de la partie supérieure 44 de la zone 40.
Le volume de cette partie supérieure 44 de la zone
centrale 40 forme donc le mélangeur/évaporateur. Ce volume est
minimisé grâce à l'évaporation du gazole résiduel contre la
paroi 56.
La réalisation du mélange eau + gazole dans la partie
supérieure 44 de la zone 40 évite la cokéfaction, c'est-à-dire
le craquage du gazole et la production de particules de carbone
sous forme de suie qui risquerait d'encrasser les diverses
canalisations ou zones annulaires.
Le mélange de vapeur eau + gazole qui se présente
ainsi en partie supérieure 44 de la zone 40 a une température de
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400 à 5500C. Il est ensuite évacué par la zone annulaire entre
le tube 50 et le tube 48. La paroi cylindrique 48 constitue
elle-même une paroi d'échange thermique avec la zone annulaire
42, dans laquelle circule la vapeur d'eau. Les échanges
thermiques permettent ainsi de démarrer la surchauffe du mélange
eau+gazole.
Le mélange eau + gazole est ensuite introduit en
partie inférieure de la première zone annulaire 14 entourant la
chambre de réaction pour être finalement introduit en partie
supérieure dans la chambre de combustion 22.
Lorsque le mélange remonte dans la zone annulaire 14,
il se réchauffe par échange thermique avec la paroi 32 et la
paroi 30 à une température de 600 à 900 C (typiquement 700 C).
Bien entendu, l'échauffement du mélange eau + gazole s'effectue
principalement grâce à la paroi 32 de la partie 26. Toutefois,
autour de la paroi 30, l'échauffement continue mais à un degré
moindre car la paroi 30, tout en étant principalement isolante,
laisse cependant passer un peu de chaleur.
Dans la chambre de combustion, le mélange eau + gazole
entre à une température de 700 C typiquement.
De l'oxygène pur est introduit dans la chambre de
combustion 22 par l'intermédiaire d'une ou plusieurs
canalisations 62 en direction de l'axe 20. Cette (ces)
canalisation(s) 62 est (sont) légèrement inclinée(s) en
direction de l'axe 20 de façon à générer un écoulement de gaz
autour de cet axe.
Egalement en partie supérieure du dispositif 10, au-
dessus de la chambre de combustion 22, on prévoit un gicleur
rétractable 66 pour l'introduction de gazole au démarrage du
fonctionnement du dispositif. Dans la partie supérieure du
dispositif 10, au voisinage de l'axe 20, on prévoit aussi une
bougie d'allumage rétractable 68 dont l'extrémité se trouve dans
la chambre 22. Cette disposition permet de faire démarrer
l'ensemble en réalisant une combustion du gazole afin de
produire la chaleur nécessaire à la montée en température des
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parois des différentes zones du dispositif. Ensuite, comme on
l'a vu plus haut, c'est le fonctionnement même du dispositif qui
produit la chaleur permettant de préchauffer les fluides
introduits dans la chambre 12.
Entre la partie supérieure de la zone annulaire 14,
dans laquelle circule le mélange eau + gazole, et la chambre de
combustion 22, on prévoit des canalisations 701r 702, ... orientées
de façon telle (figure 2) que ce mélange eau + gazole circule le
long des parois circonférentiellement autour de l'axe 20.
Autrement dit, les canalisations 701r 702, etc. n'ont pas une
direction radiale mais une direction proche d'une direction
tangentielle.
Ainsi, l'arrivée quasi tangentielle du mélange
eau + gazole crée un film au voisinage de la paroi 72 de la
chambre de combustion 22, tandis que l'oxygène est injecté en
direction de l'axe de la chambre en quantité insuffisante pour
brûler tout l'hydrocarbure. Il en résulte que la combustion
s'effectue pratiquement selon l'axe 20 de la chambre de
combustion et non au voisinage des parois. Dans ces conditions,
cette paroi 72 est isolée par rapport à la flamme. En
conséquence, la paroi 72 est à une température sensiblement
inférieure à celle résultant de la combustion. En effet, la
combustion s'effectue à une température de l'ordre de 2 500 C à
3 000 C et les parois 72 sont à une température de l'ordre de
1000 à 1 600 C. Cette protection de la paroi 72 est aussi
renforcée par le fait que la vapeur d'eau absorbe le rayonnement
de la flamme. Autrement dit, la paroi 72 est protégée de la
chaleur de la combustion tant pour la chaleur transférable par
convection que pour la chaleur transférable par rayonnement.
Dans l'espace annulaire 14 ainsi que dans l'espace
annulaire 42, on prévoit une nervure arrangée en hélice ayant la
référence 74 dans l'espace annulaire 14 et la référence 76 dans
l'espace annulaire 42.
La nervure hélicoïdale 74 dans la zone annulaire 14
est solidaire de la paroi d'échange 32 tandis que la nervure
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hélicoïdale 76 dans la zone annulaire 42 est solidaire du tube
48.
Ces nervures hélicoïdales permettent d'augmenter les
échanges thermiques. En effet, on sait que les échanges
thermiques sont d'autant plus efficaces que le diamètre
hydraulique est petit. Le diamètre hydraulique est égal à 4S/P,
S étant la section de passage du gaz et P le périmètre
correspondant à cette section S. La section de passage est
délimitée par les deux parois de chaque anneau et le pas de
l'hélice. Ainsi, un choix convenable de la distance entre les
parois en regard et du pas de l'hélice permet de minimiser le
diamètre hydraulique.
En outre, la nervure hélicoïdale permet d'augmenter la
vitesse de passage des gaz, ce qui améliore encore l'échange
thermique dans la zone annulaire où se trouve la nervure.
Ainsi, la paroi d'échange 32 est quasiment à la
température régnant dans l'espace annulaire 14. En effet, le
coefficient d'échange du côté de la chambre de réaction, qui est
dépourvue de nervure hélicoïdale, est moins élevé. Autrement
dit, la paroi est portée à une température proche de celle du
fluide circulant du côté où les coefficients d'échanges
thermiques sont les plus élevés.
Les nervures hélicoïdales présentent aussi l'avantage
de permettre une meilleure homogénéisation circonférentielle de
la température autour de l'axe 20 car les gaz ne s'écoulent pas
selon une seule génératrice mais circulent tout autour de l'axe.
Il en résulte qu'il n'y a pas de déformation qui serait due à
des différences de températures circonférentielles ou des
différences de débit circonférentielles.
Enfin, les nervures hélicoïdales constituent des
entretoises entre les parois cylindriques, par exemple entre la
paroi 32 et la paroi 34 pour la zone annulaire 14, ce qui
augmente la rigidité et maintient constante la distance entre
les parois en regard et évite donc encore les déformations
axiales ou circonférentielles et les hétérogénéités
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circonférentielles de température et de débit qui en
résulteraient.
Les nervures hélicoïdales peuvent être réalisées à
partir d'un profil rond (plein ou creux) d'un diamètre supérieur
5 à l'espace annulaire. Ce profil rond est soudé à l'une des
parois et la partie opposée est tronquée, par exemple par
usinage, pour que le profil puisse être logé dans l'espace
annulaire. Il faut cependant prendre en compte les dilatations
thermiques différentielles entre les deux parois. Un usinage
10 serré et un soudage du profil aux parois introduirait des
contraintes thermomécaniques fortes. L'usinage est donc tel
qu'il laisse un jeu suffisant entre le sommet tronqué de la
nervure et la paroi opposée (à laquelle n'est pas soudé le
profil) pour absorber les dilatations thermiques
15 différentielles. Ce jeu induit un écoulement de fuite pour le
gaz. Mais le caractère laminaire de l'écoulement de fuite dans
cet espace très réduit contribue aussi significativement à
l'échauffement du gaz, ce qui limite l'effet négatif de cette
partie de l'écoulement dont le parcours n'est pas hélicoïdal.
En variante, la nervure hélicoïdale est réalisée par
l'usinage de la paroi dans laquelle on forme donc une rainure
hélicoïdale. Le canal est alors fermé par soudage point par
point de la paroi complémentaire.
La réalisation dans laquelle on usine la paroi est
plus particulièrement avantageuse pour des hauteurs de nervures
de 0,5 à 1,5 mm alors qu'une réalisation à l'aide d'un profil
est préférable pour des hauteurs de nervures de 1,5 à 4 mm.
La paroi externe 46 de la zone 40, c'est-à-dire la
paroi assurant l'échange thermique entre la chambre de réaction
et la vapeur d' eau surchauffée, est métallique du côté interne.
Du côté externe, c'est-à-dire du côté en contact avec la chambre
de réaction, elle est revêtue de céramique réfractaire
conductrice afin que cette paroi soit protégée contre l'effet
des gaz de reformage chauds.
CA 02603821 2007-10-04
WO 2006/106259 PCT/FR2006/050292
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De même, la paroi 32 de la seconde partie de la
chambre de reformage est, du côté extérieur, métallique et du
côté intérieur, c'est-à-dire du côté de la chambre de réaction,
elle est protégée par une céramique réfractaire conductrice.
On va maintenant décrire en relation avec la figure 3
l'organe qui se trouve à la base du dispositif 10.
Cet organe 100 assure la distribution et l'étanchéité
des fluides entre les différentes zones, la chambre de réaction
et l'environnement externe. Il assure aussi la fixation des
échangeurs. En outre, il est agencé pour permettre le démontage
du dispositif 10. Il assure aussi l'évacuation des gaz de la
chambre de reformage.
Dans la réalisation présentée sur la figure 3, on
prévoit trois disques dont chacun est affecté à un fluide
particulier.
Ainsi, le disque inférieur 102 a pour but de mener la
vapeur d'eau issue de la sortie 38 de la zone annulaire 16 vers
la zone 42 de la partie 40 du dispositif.
Le disque intermédiaire 104 a pour but de canaliser le
mélange eau + gazole depuis l'espace annulaire entre le tube 48
et la canne 50 vers la zone annulaire 14.
Le disque supérieur 106 est destiné à la collecte du
gaz de reformage pour son évacuation vers l'extérieur.
Les trois disques sont traversés par le tube (canne)
50 d'injection de gazole.
Par ailleurs (figure 4), le disque 102 est solidaire
du tube 48 constituant la paroi interne de la zone 42. Par
contre, la paroi externe 46 de la partie 40 est portée par le
disque 104.
Le disque 106 est solidaire de la paroi 32, c'est-à-
dire la paroi interne de l'espace annulaire 14 servant à
préchauffer le mélange eau + gazole.
On a représenté sur la figure 4 une vue d'ensemble de
la partie inférieure du dispositif 10 qui comprend, outre
l'organe 100, une bride de base 120 qui présente à sa partie
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WO 2006/106259 PCT/FR2006/050292
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supérieure un logement 122 pour l'organe 100. Cette bride 120
est fixée à une contre bride 124 soudée à la paroi externe 18 à
sa partie supérieure. Bien entendu, la bride 120, la contre
bride 124 et la paroi 18 sont telles qu'elles permettent de
résister à la pression importante régnant dans le dispositif 10.
