Brevet FR2494681A1 — publié le 19820528

La présente invention concerne les réacteurs catalytiquesutilisés dans la conversion de quantités importantes d'hydrogène et de monoxide de carbone gazeux en méthane. Pour ce faire on utilise un appareil de méthanation. Les appareils de méthanation classiques associés aux procédés de production de gaz de synthèse sont des appareils relativement petits destinés à convertir en méthane de petites quantités de monoxyde de carbone contenues dans le gaz de synthèse produit. Du fait que seules de petites quantités de monoxyde de carbone sont mises en réaction, ces appareils de méthanton se règlent sensiblement automatiquement, en ce qui concerne la température, même si la réaction de méthanation est hautement exothermique. Le gaz de synthèse produit associé à ces procédés aurait ordinairement une valeur calorifique d'environ 76 Calories (300 BTU/SCF).Lorsqu'il s'agit-de traiter de grandes quantités de CO par méthanation, on pourrait s'attendre à ce que le produit final ait une valeur calorifique d'environ 227-250 Calories (900-1000 BTU/SCF) indiquant un degré élevé de méthanation. En raison des préoccupations actuelles concernant la possibilité d'obtention d'energie, on s'intéresse de plus en plus aux procédés permettant de produire du gaz naturel succédané, dont le constituant principal est du méthane ; un tel gaz naturel succédané aurait une valeur calorifique d'environ 227-250 Calories (900-1000 BTU/SCF). On envisage des procédés de méthanation selon lesquels des quantités relativement importantes d'hydrogène et de monoxyde de carbone seraient mises en réaction. Les préoccupations principales dans la conception d'un appareil de méthanation utilisable dans de tels procédés résident dans le contrôle de la température à l'intérieur de la chambre de réaction de l'appareil de méthanation et l'élimination de la chaleur du catalyseur utilise pour favoriser la réaction. On a suggéré plusieurs méthodes différentes permettant de contrôler la température et d'éliminer la chaleur du catalyseur, dont certaines font appel à la recirculation du produit gazeux formé tandis que d'autres font appel à des catalyseurs en pastilles utilisés dans des tubes de transfert de chaleur entourés par un fluide de transfert de chaleur, et d'autres encore font appel à des tuyaux destiné à véhiculer les calories et qui sont revêtus d'un catalyseur. Le présente invention a pour objet un procédé et un appareil pour la mise en réaction de quantités importantes d'hydrogène et de monoxyde de carbone en présence d'un catalyseur pour obtenir du méthane dans des conditions de température contrôlée. L'appareil conforme à l'invention comprend au moins deux chambres, des tuyaux assurant le transport de calories entre les chambres et des ailettes comprenant un matériau catalyseur fixées sur des tronçons desdits tuyaux disposés à l'intérieur d'une des chambres. Le procédé conforme à l'invention, quant à lui, consiste à introduire un courant gazeux, contenant des quantités importantes d'hydrogène et de monoxyde de carbone, dans une chambre de réaction dans laquelle sont disposées plusieurs ailettes comprenant un matériau catalyseur. Les ailettes sont fixées sur des tu-aux,assurant le transport de calories,qui communiquent avec une seconde chambre, laquelle est traversée par un fluide de transfert de chaleur. La chaleur dégagée dans la chambre de réaction est absorbée par les ailettes et véhiculée par les tuyaux de transport de calories au milieu de transfert de chaleur traversant la-seconde chambre. Conformément à un mode de réalisation doirné uniquement à titre illustratif des caractéristiques et des avantages de l'appareil conforme à la présente invention, l'appareil de méthanation conforme à la présente invention comprend des première et seconde chambres, des tuyaux assurant le transport de calories entre l'intérieur de la première chambre et la seconde chambre et des ailettes comprenant un matériau catalyseur disposees à l'intérieur de la première chambre et fixées sur lesdits tuyaux de transport de calories.Selon un mode de réalisation, donné uniquement à titre illustratif des caractéristiques et des avantages du procédé conforme à la présente inve-ntion, ce procédé permet de produire du méthane à partir d'un courant gazeux ayant des teneurs importantes en hydrogène et monoxyde de carbone gazeux. On introduit le courant gazeux dans une première chambre dans laquelle sont disposées plusieurs ailettes comprenant un matériau catlyseur. Ces ailettes sont fixées sur des tuyaux assurant le transport de calories entre l'intérieur de la première chambre et la seconde chambre, laquelle est traversée par un fluide de transfert de chaleur. En présence du catalyseur, l'hydrogène, le monoxyde de carbone et/ou le dioxyde de carbone entrent en réaction et dégagent de la chaleur.La chaleur dégagée par la réaction est absorbée par les ailettes et véhiculée par les tuyaux assurant le transport de calories vers le fluide de transfert de chaleur traversant la seconde chambre. Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci-après à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - le. figure 1 est un diagramme de fonctionnement schématique d'un procédé typique de fabrication d'un gaz naturel succédané, utilisant la méthode conforme à la présente invention - la figure 2 est une disposition schématique d'un premier mode de réalisation d'un appareil de méthanation conforme à la présente invention et - la figure 3 est une disposition schématique d'un autre mode de réalisation d'un appareil de méthanation conforme à la présente invention. En se référant à la figure 1, on y voit un diagramme de fonctionnement schématique d'un procédé de fabrication d'un gaz naturel succédané à partir d'une alimentation en charbon, procédé qui englobe la méthode conforme à la présente invention. Le procédé 10 comprend une zone de gazéifieation 12, une zone de purification 14 et une zone de méthanation 16. On conçoit aisément que, bien que l'on parle de charbon dans ce mode de réalisation, d'autres matières premières, telles que les hydrocarbures liquides, peuvent être utilisées pour obtenir le gaz naturel succédané. On introduit le charbon par une ligne 18 dans la zone de gazéification 12 pour le faire réagir de manière classique avec de la vapeur d'eau et/ou de ltoxygène qui sont introduits par leslignes 20 et 21 depuis les sources 22,23 respectivement. Un courant de produit gazeux comprenant de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, du méthane, de la vapeur d'eau et des impuretés est évacué par la ligne 24 pour être introduit dans la zone de purification 14. Dans cette zone de purification 14, de la vapeur d'eau est condensée et certaines aes-impuretés, telles que des composés de soufre, sont éliminées. Après quoi un courant de produit contenant environ 950j en poids d'hydrogène et de monoxyde de carbone est transporté par la ligne 26 vers la zone de méthanation 16. Dans cette zone de méthanation 16, l'hydrogène et le monoxyde de carbone contenus dans le courant de produit sont mis en réaction en présence d'un catalyseur, tel que le nickel, pour donner du méthane. On fiait remarquer que, lorsque les ailettes sont en un matériau catalyseur, elles doivent être réalisées en un matériau qui se prête à etre mis sous forme d'ailettes. De même, lorsque le catalyseur est pulvérisé sur les ailettes, il doit etre choisi parmi le matériau qui se prêtent à cette pratique. La figure 2 est une disposition schématique de l'appareil associé à la zone de méthanation 16. L'appareil de méthanation désigné globalement par le numéro de référence 30, comprend une première chambre 32 propre à recevoir le courant de produit gazeux provenant de la ligne 26. Une seconde chambre 33 est disposée à proximité de la chambre de réaction 32 et est propre à être traversée par un fluide de transfert de chaleur Ce Ce fluide de transfert de chaleur pourrait etre constitué par n'importe quel fluide adéquat, mais il est constitué de préférence d'un gaz contenant de l'eau ou de l'oxygène, lequel, après avoir absorbé de la chaleur lors de sa traversée ce la chambre 33, pourrait etre introduit dans la zone de gazéification 12 par la ligne 20 ou 21. Dans le mode de réalisation de la figure 2, un gaz contenant de l'oxygène est utilisé comme fluide de transfert de chaleur. Une pluralité de tuyaux assurent le transport de calories entre l'intérieur de la chambre 32 et la chambre 33. Aux endroits oh ils traversent les parois des chambres 32 et 33, on prévoit des joints étanches auz gaz pour éviter des fuites, tant vers l'intérieur que vers l'extérieur des chambres 32,33. Des ailettes 35 sont fixées sur les tuyaux 34 à l'intérieur de la chamtre 32. Ces ailettes 35 sont en un matériau catalyseur, tel que @e nickel, qui sert à favoriser la rèacti de l'hydrog-ène avec l'oxyde de carbone. Les ailettes 35 jouent en outre le rôle de surface étendue de transfert de chaleur à l'intérieur de la chambre 32, assurant le transfert de chaleur depuis l'intérieur de la chambre 32 au tuyau; 34. La chaleur dégagée lors Ce la réaction de méthanation dans la chambre 32 est absorbée par les ailettes 35 et amenée par les tuyaux 34 au fluide de transfert de chaleur traversant la chambre 33. Une pluralité d'éléments de détection de la température 36 sont @isp@@és dans la chambre 32 et sont reliés par l'intermédiaire d'un circuit élect@ique 37 à un appareil de mesure de température 38. On peut mettre en ceuvre diverses techniques de conception et de fonctionnement pour régler la température à l'intérieur de la chambre 32, par exemple on peut jouer sur le nombre de tuyaux assurant le transport de calories ou d'ailettes disposés à l'intérieur de la chambre 32, ou on peut faire varier les vitesses d'écoulement des fluides circulant dans les lignes 21, 26. Sur la figure 3, on voit une variante de réalisation de l'appareil de méthanation 30. Dans ce mode de réalisation, on utilise une pluralité de chambres secondaires 33a et 33b. De l'au provenant d'une source 22, telle qu'une chaudière, traverse la chambre 33a et, après avoir été transformée en vapeur par chauffage, est envoyée par la ligne 20 dans la zone de gazéification 12. De manière analogue, un gaz contenant de l'oxygène provenant d'une source 23, telle qu'une installation de production d'oxygène, traverse la chambre secondaire 33b et, après avoir été chauffé, est amené par la ligne 21 à la zone de gazéification 12.Dans ce mode de réalisation, des ailettes supplémentaires 39 sont fixées sur des tronçons des tuyaux 34 à l'intérieur de la chambre seeondaire 33a. il n'est pas nécessaire que ces ailettes supplémentaires soient en un matériau catalyseur, parce qu'elles ne servent que de surfaces étendues de transfert de chaleur, à la différence des ailettes disposées dans la chambre de réaction primaire 32 qui servent à la fois de surface étendue de transfert de chaleur et de catalyseurs. Les ailettes supplémentaires 39 peuvent entre éventuellement fixées, elles aussi, sur les tuyaux 34 à 11 intérieur de la chambre 33b. En revenant à la figure 2, le courant gazeux arrivant par la ligne 26 est préchauffé dans un appareil d'échange de chaleur 40. Le produit de méthanation évacué de la chambre 32 est amené par la ligne 41 à l'appareil d'échange de chaleur 40. Dans cet appareil, le produit gazeux relativement chaud vient en contact d'échange de chaleur indirecte avec le courant de gaz circulant dans la ligne 26, ce qui sert à préchauffer ce dernier courant avant son introduction dans la chambre 32. En variante, l'appareil d'échange de chaleur 40 pourrait être alimenté en calories depuis une source externe, si la quantité de chaleur extraite du courant de produit par les tuyaux à ailettes 34 est assez importante pour rendre impossible le préchauffage du courant d'arrivée. En revenant à la figure 1, un courant de gaz naturel succédané produit contenant du méthane, de la vapeur d'eau et une faible quantité d'impuretés est évacué de la zone de méthanation 16 par la ligne 41 et est introduit dans un désurchauffeur 42 afin de réduire le produit à son point de rosée. Après quoi, le courant de produit traverse le condenseur 43. Jors de son passage dans le condenseur 43, une portion de la vapeur d'eau comprise dans le courant de produit est éliminée par condensation ; 1 courant de produit traverse ensuite le séparateur 44 dans lequel le condensat est séparé du courant de produit. Le courant de produit est ensuite introduit dans un déshydrateur dans lequel ae l'eau en est encore éliminé. Le produit gazeux séché est. évacué du déshydrateur 46 par la ligne 48. En ce qui concerne le procédé conforme à l'invention, un exemple de procédure utilisant la méthode serait comme suit : on introduit du charbon par la ligne 18 dans la zone de gazéification 12. On introduit de la vapeur d'eau à une température d'environ 3990C dans la zone 12 par la ligne 20. On introduit dans la zone 12 par la ligne 21 un gaz contenant de l'oxygène préchauffé à une température d'environ 149 C ou plus pour maximiser le rendement de la gazéification. Dans la zone 12 le charbon, la vapeur d'eau et l'oxygène réagissent de manière classique pour donner un courant de gaz Qe synthèse se composant d'hydrogène, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone, de méthane et d'impuretés.Ce courant de produit passe par la ligne 24 dans la zone de purification 14. Certaines impuretés, telles que des composés de soufre, sont éliminées du-eourant de gaz de synthèse dans la zone 14. Le courant de gaz de synthèse purifié est ensuite introduit dans la chambre 32. Dans cette chambre 32 l'hydrogène et le monoxyde de carbone réagissent en présence du catalyseur de nickel dont les ailettes sont réalisées. On conçoit aisément que ces ailettes 35 peuvent être entièrement en nickel, ou un autre catalyseur, ou pourraient Btre constituées par des organes de transfert de chaleur revêtus d'un catalyseur.La température a l'intérieur de la chambre 32 se situera vraisemblablement entre 371 C et 538 C, et la pression à l'intérieur de la chambre 32 se situera vraisemblablement entre 14,061 kg/cm2 et 105,46 kg/cm2. Un fluide de travail typique pour le tuyau assurant le transport de calories pourrait être le mercure, ce qui est envisagé pour la mise en oeuvre de la présente invention. On peut utiliser d'autres substances, par exemple l'eau et le potassium, en fonction de la température de travail envisagée à l'intérieur de la chambre 32. La pression du fluide de transfert de chaleur traversant la chambre 32 dépendra du fluide particulier utilisé. En jouant sur le. nombre d'ailettes, de tuyaux 34 ou des deux et/ou en faisant varier la température ou le débit du gaz de synthèse ou du fluide de trans- fert de chaleur traversant la chambre 32, on peut régler la température de travail à l'intérieur de la chambre 32. Le courant produit de gaz naturel succédané évacué de la chambre 32 par la ligne 41 sera vraisemblablement à une température comprise entre 204 et 5380C. Lorsque la température du courant de produit dans la ligne 41 se situe entre 316 et 5380C, il devrait posséder suffisamment de calories pour préchauffer le courant d'arrivée dans l'appareil d'échange de chaleur 40. Si la température du courant de produit circulant dans la ligne 41 se situe entre 204 et 3160C, il faut introduire des calories supplémentaires, provenant d'une source externe, dans l'appareil d'échange d chaleur 40 afin de pouvoir préchauffer suffisamment le courant passant dans la ligne 26 avan-t son introduction dans la chambre 32.Le produit de gaz naturel succédané évacué de l'appareil d'échange de chaleur 40 sera vraisemblablement à une température d'environ 2040C. Le courant de produit passe ensuite dans un désurchauffeur 42 ; la température du courant de produit est réduite a environ 121 C. Le courant de produit désurchauffé traverse le condenseur 43 dans lequel sa température est réduite à environ 430C. Le condensat est élimine ensuite du courant de produit dans le. séparateur 44 et de 'humidité supplémentaire est éliminée dans le déshydrateur 46. Le produit gazeux séché est évacué par la ligne 48. On envisage une latitude en ce qui concerne des modifications changements et substitutions pouvant gtre apportés à la description ci- dessus, et dans certains cas certaines caracbéristiques de l'invention seront utilisées sans utilisation correspondante d'autres caractéristiques. Par conséquent, il convient d'interpréter les revendications annexées dans leur sens le plus large et de manière conforme au cadre et à l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de gaz naturel succédané, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent a) à faire réagir une matière première carbonée avec de la vapeur d'eau et de l'oxygène pour obtenir un produit gazeux comprenant de l'hydro- gène et du monoxyde de carbone b) à introduire le produit gazeux dans Une première chambre (32) c) à disposer une pluralité d'ailettes de transfert de chaleur (35) comprenant un matériau catalyseur dans la première chambre (32) d) à fixer les ailettes (35) sur des tuyaux (34) assurant le trans- port de calories entre la premiere chambre e-trune seconde chambre (33) e) à faire passer le produit gazeux sur lesdits ailettes (35), l'hydrogène et le mono':-de de carbone réagissant en présence dudit matériau catalyseur pour donner du gaz naturel succédané et de la chaleur, cette chaleur étant absorbée par îes ailettes et les tuyaux (34) assurant le tans- port de calories f) à faire traverser la seconde chambre i33) par un fluide de transfert de chaleur qui absorbe de la chaleur lesdits tuyau::', et g) à évacuer le gaz naturel succédané de la première chambre (32). 2. Procédé selon la revendication ?, caractérise en ce que l'étape qui consiste à disposer une pluralité d'ailettes de transfert de chaleur (35) dans la première chambre (34) comprend la disposiiion d'ailettes (35) comprenant un catalyseur de nickel dans ladite chambre. 3. procédé selon la revendication 2, caractérisé e ce qu'il comprend en outre l'étape de préchauffage du courant du produit gazeux avant de faire traverser la première chambre (32) par ce courant de produit gazeux. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre @@é@@pe de déshydratation du gaz naturel succédané après @'étape d'évacuation dudit gaz de la première chambre (32). 5. Procédé de fabrication de gaz naturel succédané à partir d'hydrogène et de monoxyde decarbone, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent a) à introduire un courant contenant de l'hydrogène et du monoxyde de carbone gazeux dans une première chambre (32) b) à disposer une pluralité d'ailettes de transfert de chaleur (35) dans la première chambre (32), lesdites ailettes (35) comprenant un matériau catalyseur ; c) à fixer les ailettes (35) sur une pluralité de tuyaux (34) assurant le transport de calories entres la première chambre et une seconde chambre ;; d) à faire passer le courant sur les ailettes (35), l'hydrogène entrant en réaction avec le monoxyde de carbone en présence du catalyseur pour donner ledit gaz naturel succédané et de la chaleur, cette chaleur étant absorbée par les ailettes (35) et lesdits tuyaux (34); e) à faire passer un fluide de transfert de chaleur dans la seconde chambre (33), ce fluide absorbant de la chaleur desdits tuyaux (34) assurant le transport de calories ; et f) à évacuer le gaz naturel succédané de la première chambre(32). 6. Appareil de méthanation, caractérisé en ce qu'il comprend une première chambre (32) apte à recevoir un courant de gaz contenant de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, des moyens permettant d'introduire ce courant de gaz dans la première chambre (32), une seconde chambre (33) située à proximité de la première chambre (32) et propre à recevoir un fluide d'échange de chaleur, des moyens permettant d'introduire le fluide d'échange de chaleur dans la seconde chambre (33), une pluralité de tuyaux (34) assurant le transport de calories entre la première chambre (32) et la seconde chambre (33), une pluralité d'ailettes (35) comprenant un matériau catalyseur fixées sur lesdits tuyaux (34) à l'intérieur de la première chambre (32), des moyens permettant d'évacuer le gaz naturel succédané de la première chambre (32) et des moyens permettant d'évacuer le fluide de transfert de chaleur de la seconde chambre (33). 7. Appareil de méthanation selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau catalyseur comprend du nickel. 8. Appareil de méthanation selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une troisième chambre située à proximité de la première chambre (32) et une pluralité de tuyaux supplémentaires assurant le transport de calories entre la première chambre (32) et la troisième chambre. 9. Appareil de méthanation selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des ailettes supplémentaires (39) comprenant un matériau catalyseur, fixées sur les tuyaux supplémentaires à l'intérieur de la première chambre (32). 10. Appareil de méthanation selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des ailettes supplémentaires (39) fixées sur les tuyaux, assurant le transport de calories, à l'intérieur de la seconde chambre (33).