Brevet FR2603209A1 — publié le 19880304

La présente invention concerne une tuyère de réaction chimique ou physico chimique permettant, en fonctionnement continu, de mettre en contact homogène les composants participant à cette réaction chimique. Les réactions chimiques mises en oeuvre dans l'industrie mettent en contact des corps à l'état solide, liquide ou gazeux qui réagissent avec consommation ou production de chaleur. Ces réactions se produisent économiquement dans des conditions bien précises de pression et température. Les corps sont dans des proportions bien précises, en général stoechiométriques. Il est important que ces conditions soient respectées en chaque point de l'espace et soient stables dans le temps. L'état sous lequel chaque corps se présente est important par sa forme car les réactions chimiques sont des phénomènes de surface. Ainsi, un solide doit avoir une surface spécifique élevée. Un gaz doitavoir une répartition en volume élevée et une bonne convection. Un liquide doit être finement divisé. Or le principe de croissance de l'entropie montre que des molécules proches de frome et de dimensions se mélangent facilement tandis que des molécules de formes et dimensions éloignées refusent le mélange. Un solide ou un liquide doivent être exempts de couches de surface constituées d'oxydes. de gaz absorbés ou adsorbés, d'impuretés qui constituent autant de barrières à la réaction. Les méthodes employées à ce jour pour mettre en contact plusieurs corps entrant dans une réaction chimique industrielle sont multiples et bien connues de l'homme de l'art. Nous citerons les principales. On utilise l'écoulement en douche d'un liquide dans une atmosphère gazeuse ou sur un solide, l'injection d'un liquide ou d'un gaz sous pression dans une cuve, le barbottage de gaz dans un liquide ou l'introduction de gaz sous un solide finement divisé à un débit tel que le dit gaz fluidise le solide. Envisageons une réaction chimique nécéssitant la mise en présence dans une cuve appelée réacteur d'un fluide A avec un autre fluide B. La figure (1) montre comment on peut utiliser un diffuseur par disque poreux i ou un diffuseur par micro orifices 2. Le réacteur est chauffé si la réaction est endothermique; il est refroidi ai elle est exothermique. Les fluides se mélangent progréssivement et le réaction se propage dans tout le volume du réacteur.selon la convection. On peut améliorer le dispositif en injectant les fluides sous pression par des injecteurs comme le montre la figure (2). Dans ce cas, les jets sous pression se mélangent encore mal et progressivement bien que la convection soit forcée. Si l'un des composants est un liquide ou un solide c'est pire. Tout jet de fluide en mouvement est le siège d'une pression statique et d'une pression dynamique. L'ensemble des deux constitue une barrière. La figure (3) montre comment un jet liquide tombant sur un jet gazeux à grande vitesse destiné à le disloquer en fait, rebondit sur luj pratiquement comme sur une surface solide en mouvement. te liquide est représenté en 1, le gaz est représenté en 2. Il en résulte que très souvent l'ensemble des corps mis en présence ne sont pas traités de façon homogène ou trop lentement et donc ne réagis- sent pas de façon homogène. D'autre part, la localisation en volume est imprécise et conduit à effectuer ces réactions dans des enceintes de grande dimension et de ne faire en continu qu'une réaction par cuve. Le dispositif selon l'invention permet de localiser le réaction chimiquedans un volume restreint et précisément situé dans l'espace et de mettre en contact les corps intervenant dans ladite réaction chimique de fason homogène et en les protégeant des impuretés. Il peut permettre de faire agir des corps dès leur formation, à l'état naissant. Le dispositif selon l'invention fonctionne selon le principe suivant. I1 fait l'objet de la figure (4). Un des composants de la reaction chimique de préférence le corps gazeux ou liquide qui a le plus grand débit en masse est distribué sous haute pression par une tuyère torique 1 dont la chambre de stabilisation 2 s'ouvre par un passage calibré pour faire converger le fluide 3 en un point appelé foyer 4 et qui, en fait, est un petit volume focal. Le demi angle au sommet du cône constitué par l'écoulement du fluide avec l'axe de symétrie de la tuyère est assez petit, en général 70, pour que le volume de gaz situé dans la préchambre 5 soit entrainé par frottement intermoléculaire ou interatomique vers le bas de la. figure. L'orifice 6 est traité en ajutage à lèvres coupantes si le fluide est un liquide pour assurer le décollement des filets de liquide. Si le fluide est un gaz l'orifice est traité en convergent divergent si le régime est subsonique et en buse spéciale comme décrit si dessous si le régime est supersonique ce qui est le plus souvent préférable. Le cas où le fluide utilisé est un gaz et que l'on souhaite obtenir un écoulement supersonique étant le seulqui présente une difficulté pour l'homme de l'art et qui nécéssite des formes inhabituelles nous allons le détaillar ci-dessous. Les formules de physique utilisées peuvent verte trouvées dans tout traité moderne de mécanique des fluides. On se reportera sur la figure (4) à l'agrandissement du dessin du l'orifice porLant les sections courantes Sx et Sy; la section d'entrée Si, la section de gorge So et la section de sortie S2. On notera bien que cet agrandissement ne correspond à aucune forme classique mais que c'est la coupe par un plan passant par l'axe de la tuyère. L'orifice dans l'espace est la figure engendrée par la rotation de cette figure autour de l'axe de la tuyère selon le cône de demi angle au sommet o(. Ainsi des section comme So devront être calculées comme la différence de surface de deux cercles portées par un cône de demi angle au sommet Tr- o Ces précautions étant prises, le principe de la conservation de l'énergie dans une détente adiabatiqueentre deux points x et y s'écrit en égalant la diminution d'enthalpie h à l'augmentation d'énergie cinétique: 2 2 hx - hy = l/2(vy2 -vx2 )/J - Cp( Tx - Ty ) y p y ou: h enthalpie v vitesse J équivalent mécanique de la calorie C chaleur spécifique à pression constante p C chaleur spécifique à volume constant v T Température en degré Kelvin ou absolus ou Oc + 273 Pour les gaz parfaits, l'enthalpie est égale au produit de la chaleur spécifique par la température absolue. Le principe de conservation en écoulement continu s'écrit en égalant les débits en masse dans les sections x et y: m my s 5x v /Vx = sy # v /V y xx y La loi des gaz parfaits est: P V -R T x x x ou: R est la constante des gaz parfaits divisée par la masse moléculaire du gaz. Si: t- C / p Cv Cp - Cv = R/J c = & R / ( & -l ) J p La chaleur spécifique à pression constante étant la dérivée partielle de l'enthalpie à température et pression constante, pour un écoulement isentrooiaue. on a en deux points x et y: Pour une détente isentropique T0 = T + v2 /(2 C p J) Pour un écoulement adiabatique La vitesse du son est Le nombre de Mach est v/a soit Dans une tuyère supersonique, le nombre de Mach à la gorge de section #o est égal à 1. Le rapport de section de la tuyère est Il faut noter que la forme de tuyère ainsi définie a une resemblance avec une tuyère de Laval en coupe partielle et en redressant l'axe mais que sa forme est fondamentalement différente comme on l'a vu plus haut pour le calcul des sections. Chaque section S1, So, S2 est développée par rotation conique autour de l'axe de la tuyère et est portée sur le cone de demi angle au sommet #-&alpha; . Par ce moyen, le gaz est concentré au foyer F dans les conditions aerodynamiques les meilleures. Le bon réglage du demi angle o( aux environs ae 7 conduit à une aspiration de tout produit de la préchambre 5. La figure (5) montre comment une telle tuyère peut être organisée pour mettre en contact les corps mis en jeu dans la réaction chimique ou physico chimique. La tuyère l reçeoit le gaz dans sa chambre 3 par des arrivées symètriques 2 et le distribue en vitesse supersonique au foyer F. La face inférieure 5 est sphérique et son équation est obtenue par dérivation du champ de pression qui est un champ hyperbolique dans le but d'éviter une baisse de pression en F. Elle se poursuit en tuyère de Laval classique pour faciliter l'évacuation vers le bas de lafigure des produits de reaction. Le deuxième corps liquide, solide ou gazeux est amené à travers la préchambre 6 par un injecteur ou une buse 7. Il est alors aspiré et introduit de force en F au lieu d'être repoussé par cette zone de haute pression comme on l'a vu plus haut avec la figure (3). Sa présence renforce la pression en F. Une augmentation de chaleur par mélange ou réaction fait de même dans la proportion donnée par l'équation des gaz parfiits d('jà vue: P.V - R.T Aussitot en aval de F, vers le bas de la figure, la pression est faible. On assiste donc à une détente explosive. La mise en vitesse brutale approximativement dans la demi sphère opposée à la tuyère se traduit par un champignon ou nuage d'atomisation de centre F et l'évacuation violente des produits formés vers le bas de la figure. Le volume focal entourant le foyer F est une zone homogène et un passage obligé de tous les corps entrant dans la réaction. Ici, le contact se fait au niveau atomique ou moléculaire. Pour un débit de gaz de 1000 NM3/ heure, la zône focale F peut avoir un diamètre de quelques millimètres seulement. La section de sortie vers le bas peut avoir un diamètre de 200 mm Une puissance normale nécessaire pour comprimer 1000 NM3/H d'argon à seulement 15 bars absolus étant de 200 KW, on se rend compte des conditions de pression et vitesse qui règnent au foyer et du rendement exceptionnel du dispositif selon l'invention. Les corps solides, liquides ou gazeux complémentaires pouvant être introduits dans la zône de réaction F par les injecteurs de pré chambre 8 si ils sont en basse pression ou par injecteur focal 9 si ils sont en haute pression participeront au nuage d'atomisation. De cette maniére la totalité des corps sera obligé de passer dans son état le plus réactif en F. Chaque mode d'introduction des corps à savoir la tuyère 1. l'injecteur central 7, l'injecteur de pré chambre 8, l'injecteur focal 9 peut amener un mélange ou des produits en réaction. Par exemple, la chambre de stabilisation de la tuyère 3 peut recevoir par deux entrées symétriques deux gaz différents et réactifs. Selon une variante, le foyer F peut être soumis à un allumage électrique 10, d'un modèle connu. Dans ce cas, il sera appliqué de préférence une tension haute fréquence d'arc pilote entre les électrodes suivi du courant principal. Dans la variante suivante, on transforme cet allumage électrique symbolisé en 10 par deux électrodes, une anode et un cathode donnant un arc électrique, on bénéficiera d'une augmentation de température et d'une ionisation qui augmenteront le rendement de la réaction. La présence d'un catalyseur sur un des circuits est possible. La figure (6) montre un exemple de réalisation du dispositif. Uncreuset préchauffé 1 équipé en son fond d'une busette calibrée 2 est monté dans la pré chambre de la tuyère 3 dont la chambre d expansion 4 est alimentée par deux gaz réactifs qui vont congerger en F comme vu précédement. Si le creuset est alimenté en métal liquide et que celui ci es aspiré vers le fover F, il est atomisé en goutelettes microniques en F llar les Raz même avec lesquels il doit réagir. I,e métal encore liquide est encore naissant. pas encore contaminé ni oxydé et réait a"ec un rendement très supérieur. Les produits de réaction sont pics pr@p@r@es de qualité plus régulière et si la réaction est endothermique. on aura moins de chaleur à apporter; si elle est exothermique, on e aura plus à récupérer.La chaleur d'atomisation est avantageusement récupérée par un échangeur 5 pour réchauffer le creuset 6 ou une autre utilisation. Les produits de réaction peuvent directement être récupérés dans un cyclone ou un autre dispositif de récupération sans avoir besoin de passer par une enceinte de grande dimension. Le traitement et le conditionnement du gaz est connu pal a i 11 eurs. que ce soit en circuit fermé, ouvert ou mixte. C'est à dire par exemple fermé pour le gaz d'atomisation, ouvert pour les gaz de réaction. L'avantage principal du dispositif est l'augmentation du rendementcependant, un autre avantage primordial du dispositif selon l'invention est, en concentrant la zône de réaction d'éviter des cuves importantes. Ainsi, les problèmes de sécurité, de pollution et d'économie d'énergie sont simplifiés une deuxième fois. REVENDICATIONS. 1) Dispositif permettant de localiser une réaction chimique en une zône réduite et précisément localisée par le moyen d'une tuyère convergente caractérisée par le fait q'un ou plusieurs fluides convergent en un foyer sous forme de cône et entrainent par aspiration dans ce foyer les autres composants de la dite réaction chimique. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que cette tuyère torique distribue le fluide gazeux selon une forme de tuyère supersonique développée selon une rotation conique autour de l'axe de la dite tuyère. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisée en ce que le passage central de cette tuyère constitue la gorge d'une buse de Laval. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisée en ce que les corps supplémentaires sont introduits par une buse ou un injecteur central coaxial avec le cône de fluide généré par la tuyère et dirigé vers le foyer. 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les corps supplémentaires en basse pression sont introduits par un ou des injecteurs dans la pré chambre de la tuyère. 5) Dispositif selon la revendication i caractérisé en ce que des corps supplémentaires sous haute pression sont introduits dans le fover par des injecteurs visant le foyer dans la chambre secondaire. 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le fluide amené par une busette par la pré chambre de la tuyère est un métal liquide à atomiser par le gaz ou le liquide de la tuyère. 7) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé ence que le foyer est encadré par un allumeur électrique. 8) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le forer est soumis à un arc électrique.