Brevet FR2088438A1 — publié le 19720107

_,_ 2088438 L'invention concerne tin dispositif compact pour le traitement thermique de gaz susceptible d'entrer en réaction sous l'intervention d'un catalyseur dans une chambre de réaction. On connaît de nombreux dispositifs qui conviennent à la 5 mise en oeuvre de procédés chimiques en présence d'un produit catalyseur. C'est surtout dans la grande industrie chimique qu'on trouve des dispositifs avantageux ; en général, il s'agit d'installations de grandes dimensions (Henglein, Base de la technique chimique, Verlag Chemie GmbH., 9ème édition 1955, pages 199-200). 10 D'autre part,il existe un grand nombre de processus tech niques dans lesquels on s'efforce de faire se dérouler une réaction catalytique entre gaz dans les limites d'un dispositif compact.. C'est le cas, par exemple, pour la production d'un gaz protecteur dans les opérations de soudage et de frittage, et pour la généra-15 tion d'hydrogène et d'oxygène comme gaz alimentant les piles à combustibles galvaniques. le but de l'invention est, en conséquence, de créer un dispositif permettant, malgré de petites dimensions, d'obtenir un débit de gaz relativement important et assurant, en même temps, la 20 fourniture du produit de réaction voulu avec un rendement aussi grand que possible. A cet effet, l'invention concerne un dispositif pour le traitement thermique, dans une chambre de réaction, de gaz susceptibles d'entrer en réaction sous l'intervention d'un catalyseur, 25 dispositif caractérisé en ce la chambre de réaction, parcourue par un mélange gazeux, munie d'au moins une conduite d'alimentation et d'au moins une conduite d'évacuation, par ailleurs fermée et entourée d'une substance thermiquement isolante, présente une couche de catalyseur fixée sur des supports métallique r Du fait de la disposition reliant le support de catalyseur en conduction thermique avec la paroi de la source de chaleur 35 ou de froid, désignée ci-dessous en abrégé, "source T", il est assuré que la couche de catalyseur présente toujours une température de fonctionnement uniforme. Pour réduire la longueur des chemins d'admission ou d'évacuation de la chaleur, il s'est révélé avantageux d'employer 40 une chambre de réactioà tubulaire contenant un support de cataly 71 16578 _2_ 2088438 seur placé en hélice et ayant aa paroi extérieure directement en contact avec la source T. De cette façon il est possible de maintenir le gaz ou le mélange de gaz en contact intime avec le catalyseur sur un long chemin. Il est avantageux,dans ces condi-5 tions,d'ajouter, dans le chemin d'écoulement du gaz, de petites tôles assurant la déflexion ou la turbulence. Si, pour certaines raisons, on ne veut pas employer de moyens électriques de production de chaleur, il est avantageux de placer la source de chaleur et de froid au milieu de la cham-10 bre de réaction. Dans ce cas, selon une forme de réalisation préférée, on donne à la chambre de réaction une forme cylindrique, tandis qu'elle entoure la source T de forme également cylindrique. Dans ce cas également, le support de catalyseur est,bien entendu, en liaison thermiquement conductrice avec la paroi de la source T 15 cylindrique. Pour augmenter la surface de réaction, on utilise une couche de catalyseur poreuse, fixée solidement sur le support. Dans l'utilisation du dispositif, on a constaté qu'une couche d'épaisseur de 0,,| à 0,6 mm d'épaisseur suffit largement pour 20 produire l'effet souhaité. Des études plus précises ont montré que, par exemple avec emploi des catalyseurs de Raney, il suffit ampler ment d'une couche d'environ 0,3 mm d'épaisseur. Sous ce rapport, on doit signaler que précisément les catalyseurs Raney, du fait de leur structure à porosité fine, donc à grande surface, ont 25 donné d'excellents résultats dans de nombreuses réactions gazeuses. Une autre possibilité pour augmenter la zone de réaction consiste à recouvrir le support de catalyseur plat par du produit catalytique actif des deux côtés. Grâce à des tôles déflectrices ou d'autres dispositions, il est facile d'utiliser les deux faces 30 du catalyseur. Il en résulte, de plus, que le dispositif selon l'invention peut être encore réduit en volume. Dans le cas où la réaction gazeuse à effectuer est fortement exothermique ou endothermique, on donnera à la chambre de réaction une forme de cylindre annulaire pour améliorer l'apport 35 de chaleur ou le refroidissement par acheminement sur la paroi intérieure aussi bien que sur la paroi extérieure. En cas d'emploi de gaz chauds, on peut avantageusement, dans le déroulement d'une réaction endothermique, introduire dans l'admission et dans la sortie du gaz de réaction, un ou plusieurs 40 échangeurs de température à contre-courant, dans lesquels le pro- 71 16578 .5. 2053438 duit final est pré-cbauff» Le dispositif a donné s remarquables pour la décomposition de .l'ammoniac en fcyàrogàîie et azote* Dans ce cas, on l'équipe avec un catalyseur appropriés- consistant de préférence 5 en nickel Raney, en fer Raney ou en un mélange des deux, ou bien contenant un de ces produits. le dispositif peut être autorégl^'ie.du fuit qu'on prévoit des organes de réglage réglant l'apvcrt ou l'évacuation de chaleur en fonction de la température du cstalyseur et/ou des 10 gaz d'échappement* Un autre dispositif de réglage à incorporer consiste en une ou deux soupapes dont la section de passage pour le gaz de réaction entrant ou sortant dépend de l'intensité de la chaleur de réaction. 15 Dans la décomposition de l'ammoniac par un catalyseur au nickel Raney contenant du fer, on 'A- v' taté sue,déjà dans la gamme de température entre 650 et 700°0iil se produit taie décomposition pratiquement complète de l'ammoniac en hydrogène et azote. Dans l'accomplissement d'autres réactions gazeuses thermiques, 20 cela ne se produit pas toujours. Dans ce cas,il est très avantageux, de connecter une colonne sans interposer d'éohangeur de température, cette colonne contenant le catalyseur approprié pour la réaction,par exemple en vrac, afin etfaugmenter le rendement. Des modes de réalisation de l{in?-3L.tiori sont représen-25 tés, à titre d'exemples non limitatifs ; su? les dessins si-joints dans lesquels î - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe axiale d'une varian-30 te d'un dispositif selon l'invention. Dans la figure 1, le corps cylindrique 15 est limité, sur ses deux côtés ouverts, par les disques de fermeture 24 et 25. Au milieu du corps cylindrique 15,se trouve la source ï qui, dans le présent exemple, est un brûleur fonctionnant au gaz bu-35 tane. le gaz de combustion arrive par l'ouverture 18 dans le brûleur et s'écoule dans l'espace 27. I»e gaz amené sous pression entraîne spar les buses 16 et 17 ,1»oxygène nécessaire à la combustion* tandis que, grâce à la forme du prolongement du brûleur 19, il se produit un très 40 bon mélange entre le gaz butane et l'air ou l'oxygène. Le mélange 71 16578 - 4 - 2088438 est enflammé par une électrode d'allumage 20# Les flammes de gaz sortant par les buses 21 arrivent dans l'espace 22a et 22b, où elles tombent sur les parois métalliques de la chambre du catalyseur 5, de forme annulaire. 5 Les différentes tôles de catalyseur 8 sont placées dans la chambre de façon à être en contact métallique direct avec la paroi chauffée. Les tôles annulaires 8 sont introduites entre les anneaux métalliques 6. La disposition des surfaces déflectrices 7 oblige le gaz de réaction, ou le mélange gazeux, à s'écouler sur 10 de grandes parties de la surface du catalyseur. Dans le dispositif reproduit, on peut effectuer,par exemple,1a décomposition de l'ammoniac» L'ammoniac est introduit par l'ouverture 1 dans la chambre de réaction et ,dé jà avant l'entrée, est préchauffé par les chaleurs perdues des gaz de 15 combustion qui sont en contact avec la paroi métallique 2 et quittent le dispositif par l'ouverture annulaire 23. Par l'ouverture 3, le gaz parvient dans l'espace de réaction, où la décomposition de l'ammoniac en hydrogène et azote, à une température comprise entre 650°C et 700°C „se produit prati-20 quement complètement. la température dans la zone de réaction est contrôlée par un thermocouple placé dans le tube 9. Le mélange gazeuz consistant en hydrogène et azote arrive par 1*ouverture 10 dans la chambre 11, où la chaleur emmagasinée par ce mélange est utilisée pour préchauffer l'air nécessaire à la 25 combustion. Par l'ouverture 12, le gaz sortant du dispositif arrive à l'utilisation proprement dite. La chambre de combustion st la zone de réaction sont entourées d'une couche thermiquement isolante 13a en kieselgur, tandis que ,sur le côté extérieur du dispositif cylindrique il y a 30 une zone étroite formée par une double gaine de tôle, dans laquelle passe l'air frais qui entre en 14, afin ds subir un préchauffage. Les références 4a et 4b désignent deux anneaux isolants, par exemple er„ ciment d'amiante. las différentes tôles annulaires de catalyseur 8 en 35 niciei, d'une épaisseur de 1 am gavaient un diamètre extérieur de 77 mm et un diamètre intérieur de 57 mm. La couche de catalyseur poreux appliquée des deux côtés par pressage à chaud consistait en nickel-fer Raney (90; 10$ en poids), épaisseur 0,4 mm, incorporé dans du nickelcarbonyle. A une température de fonctionnement 40 de 650°C (700°C) le dispositif fournissait une quantité d'hydro 71 16578 2088438 gène de 575 (761) litres normaux à l'heure avec un rendement de 98„ Ho (99,6%). Ce débit suffit pour alimenter en hydrogène une pile à combustible d'une puissance de 1,0 kW (1,25 kW). Un autre dispositif bien adapté au même but, qui est re-5 produit schématiquement dans la figure 2, se distingue du précédent du fait que la zone de réaction consiste en un tube étroit muni de conduite d'arrivée et de départ 31 et 32, dans lequel est placé le support 33a recouvert d'une couche de produit catalyseur 33b sous forme d'une hélice s'enroulant autour d'un soutien cen-10 tral 37» Des tôles 38 assurant la turbulence ou la déflexion fournissent un bon mélange. Ce tube est chauffé électriquement par un fil résistant 34 entouré de son côté d'une substance isolante. Bien que les dimensions de l'enveloppe 36 ne dépassent pas la hauteur de 30 cm et le diamètre de 11 cm, ce volume suffit 15 pour développer plus de 700 litres normaux d'hydrogène à l'heure avec une transformation pratiquement complète d'ammoniac en azote et hydrogène. En terminant, on signale encore que dans les dispositifs selon l'invention, la perte de charge du gaa est très faible. 20 De même le retrait éventuel de la couche de catalyseur n'entraîne aucune difficulté de construction. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, pour lequel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans 25 pour cela sortir du cadre de l'invention. 71 16578 - 6 - 2088438 REVENDICATIONS 1°) Dispositif pour le traitement thermique, dans une chambre de réaction, de gaz susceptibles d'entrer en réaction sous l'intervention d'un catalyseur, dispositif carac-5 térisé en ce que la chambre de réaction, parcourue par un mélange gazeux, munie d'au moins une conduite d'alimentation et d'au moins une conduite d'évacuation, par ailleurs fermée et entourée d'une substance thermiquement isolante, présente une couche de catalyseur fixée sur des supports métalliques, ch*qu« support étant en 10 contact avec la paroi de la source thermique telle qu'une source de chaleur et une source de froid immédiatement voisine de la chambre de réaction. 2°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source thermique entoure une chambre de réac-15 tion tubulaire qui contient un support de catalyseur placé en hélice. 3°) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source thermique est placée au centre de la chambre de réaction. 20 4°) Dispositif selon l'une quelconque des reven dications 1 et 3, caractérisé en ce que la chambre de réaction présente une forme cylindrique qui embrasse au centre une source thermique cylindrique. 5°) Dispositif selon l'une quelconque des reven-25 dications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de catalyseur fixée sur les supports est poreuse. 6°) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche est de 0,1 à 0,6 mm, telle que 0,3 mm. 30 7°) Dispositif selon l'une quelconque des reven dications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche de catalyseur contient une poudre métallique fianey. 8°) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le support de catalyseur 35 consiste en tôles recouvertes des deux côtés par un produit catalyseur. 9°) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que deux côtés de la tôle sont disposés de façon à être au contact successivement avec le mélange réactif. 40 10°) Dispositif selon l'une quelconque des re 71 16578 - 7 - 2088438 vendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'entrée et la sortie du mélange gazeux sont susceptibles de comporter un échangeur de chaleur à contre-courant. 11°) Dispositif selon l'une quelconque des reven-5 dications de 1 à 10, caractérisé en ce qu'il présente un catalyseur et la source de chaleur nécessaire pour la dissociation de l'ammoniac en hydrogène et azote. 12°) Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le catalyseur est choisi dans le groupe formé par 10 le nickel de Baney, le fer de 3aney, un mélange de nickel de Haney et de fer de flaney. 13°) Dispositif selon l'une quelconque les revendications de 1 à 12, caractérisé en ce tu© le réglage de l'arrivée et de l'évacuation de chaleur se fait par un organe régulateur 15 commandé par au moins l'un des paramètres qui sont la température du catalyseur et celle des gaz évacués» 14°) Dispositif selon l'une quelconque des revendications de 1 à 13, caractérisé en ce eue la soupape d4évacuation du gaz commande la vitesse d'admission lu ^as âe inaction. 20 15°) Dispositif selon l'une quelconque des reven dications de 1 à 14, caractérisé en ce qu'il est associé à une colonne de produit catalyseur sans échangera? de olialeur située en aval par rapport à lui.