Brevet FR2661902A1 — publié le 19911115

L'invention concerne la production d'hydrogène à partir de méthanol, du genre o un courant de mélange méthanol et eau est chauffé en échange thermique du gaz de réformage, puis vaporisé et surchauffé en échange thermique avec un fluide caloporteur, lui-même réchauffé par combustion de résiduaires issus notanment d'une unité de séparation gazeuse produisant l'hydrogène pur. La mise en oeuvre du procédé de production fait intervenir d'un côté le réacteur de réformage et d'un autre côté la chaudière de comrbustion des résiduaires, avec un circuit de fluide caloporteur qui s'étend de l'un à l'autre avec un échangeur récepteur de chaleur dans la chaudière de combustion et d'autres échangeurs émetteurs de chaleur au niveau du réacteur de réformage Cette façon de faire conduit à des installations relativement lourdes mais appropriées à des débits de production importants Cependant lorsque le débit de production est relativement faible, la mise en oeuvre rappelée ci-dessus conduit à des coûts d'investissement importants qui affectent le prix de revient de l'hydrogène produit. La présente invention concerne un procédé et une installation de production d'hydrogène à partir de méthanol, qui permet une simplification importante des moyens mis en oeuvre et qui est particulièrement appropriée à la production de débits modérés d'hydrogène, de l'ordre de 50 à 300 Nn 3/h. Selon l'invention, dans un procédé du type rappelé ci-dessus, les différents échanges thermiques sont tous effectués sur le pourtour d'une enceinte formant à la fois réacteur de réformage et chambre de combustion des résiduaires, lesdits échanges thermiques de chauffage, de vaporisation, de surchauffe et de réaction du mélange méthanol-eau s'effectuant au moyen d'échangeurs du type serpentins à double tubulure coaxiale, l'espace intertubulaire de chaque échangeur étant parcouru par le fluide le plus chaud En réalisant l'ensemble des opérations d'échange thermique, de combustion et de réaction de réformage dans une même et seule enceinte, on conçoit que l'on réduit au strict minimum l'investissement des moyens de mise en oeuvre d'une part, et que, d'autre part, les pertes thermiques au niveau du fluide caloporteur sont également réduites au strict minimum. De préférence, le serpentin à double tubulure de réaction du mélange vaporisé méthanol-eau à fluide caloporteur externe est placé dans l'enceinte en exposition directe à la flamne de combustion des résiduaires, alors que le serpentin à double tubulure de vaporisation q et de surchauffe du mélange méthanol-eau en échange avec le fluide caloporteur externe est placé dans l'enceinte entre le serpentin de réaction du mélange méthanol-eau et le serpentin de chauffe du mélange liquide méthanol-eau en échange avec le gaz de réformage, le tout de façon à constituer un passage en chicane d'écoulement des fumées. L'invention concerne également une installation de production d'hydrogène à partir de méthanol, du genre conportant un réacteur de réformage alimenté en mélange vaporisé méthanol-eau, un moyen de chauffe du mélange liquide rrméthanol-eau par échange thermique avec le mélange gazeux de réformage, un moyen de vaporisation et de surchauffe dudit mélange chauffé par échange thermique avec un fluide caloporteur, un moyen de réaction dudit mélange vaporisé et surchauffé méthanol-eau par échange thermique également avec ledit fluide caloporteur, des moyens de séparation de l'eau du mélange de réformage par refroidissement et condensation partielle, et des moyens d'élaboration d'hydrogène pur par séparation gazeuse dégageant les résiduaires comabustibles, des moyens de chauffe du fluide caloporteur par combustion, notament des dits résiduaires combustibles, et cette installation selon l'invention est caractérisée en ce que lesdits moyens d'échange thermique et moyens de chauffe du fluide caloporteur sont tous situés à la périphérie d'une même enceinte formant à la fois chambre de combustion des résiduaires et réacteur de réformage De préférence, les moyens de chauffe du mélange liquide méthanol-eau, les moyens de vaporisation et de surchauffe du mélange méthanol-eau et des moyens de réaction du mélange vaporisé et surchauffé nméthanol-eau forment trois ensembles échangeurs cylindriques du type serpentin à double tubulure, agencés concentriquement l'un à l'autre, l'échangeur le plus intérieur délimitant la chambre de combustion proprement dite avec son brûleur. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe de la chaudière de combustion formant réacteur de réformage; la figure 2 est une vue plus complète de l'invention. En se référant aux dessins annexés, un mélangeur i reçoit du méthanol par une conduite 2 et de l'eau par une conduite 3 et transfert le mélange méthanol-eau à l'état liquide par une conduite 4 dans un serpentin intérieur 5 d'un échangeur tubulaire à double serpentin 6. Cet échangeur en forme de serpentin 5 est placé dans la paroi latérale cylindrique d'isolation thermique Il d'une chambre de combustion 12 avec une paroi de fond 13 et une paroi de soumet 14 recevant un brûleur 15 A la sortie du serpentin tubulaire 5, le mélange méthanol-eau encore à l'état liquide mais réchauffé est transféré par une conduite 21 dans un conduit intérieur 22 d'un autre échangeur thermique en forme de serpentin à double tubulure 23, dans lequel le mélange méthanol-eau est vaporisé et surchauffé Cet échangeur thermique en forme de serpentin est placé à faible distance de la paroi latérale Il de la chambre de combustion 12 en ménageant à son extrémité supérieure un passage 24 avec la paroi de sommet 14 et se poursuit vers le bas par une virole 36 aboutissant à la paroi de fond 13 On peut également prévoir que la virole 36 soit une position haute et le serpentin 23 en position basse. Le mélange vaporisé et surchauffé méthanol-eau issu du serpentin tubulaire interne 22 est ensuite transféré par une conduite se subdivisant en deux conduites 26 et 27 aux entrées de deux serpentins tubulaires de réaction de réformage 28 et 29 de deux échangeurs à double tubulure imbriqués l'un dans l'autre 31, 32, qui s'étendent pratiquement sur toute la hauteur de la chambre de combustion 12 à faible distance de l'échangeur thermique 23 et à faible distance de la paroi de fond 13, de façon à ménager un passage annulaire à chicanes 33 34 24 35 pour l'écoulement des fumées, qui s'échappent de la chambre de combustion 12 par un large passage 36 situé au bas de ladite chambre 12 Un circuit de fluide caloporteur comporte une pompe 41 avec une conduite de refoulement 42 se subdivisant en deux conduites 43 44 pénétrant dans l'espace intertubulaire 45 46 des échangeurs thermiques 31 32, d'o ils ressortent près du fond 13 de la chambre de combustion 12 en 47 48 pour être renvoyés par une conduite 49 dans l'espace intertubulaire 51 de l'échangeur tubulaire de vaporisation et surchauffe 23, d'o il ressort par une conduite 52 vers l'aspiration de la poupe de circulation 41. Le gaz de production qui est un mélange d'hydrogène et d'eau s'échappe des échangeurs de reformage 28 29 par une conduite 55 pour être introduit dans la paroi intertubulaire 56 de l'échangeur de chauffe 5 du mélange méthanol-eau à l'état liquide, après quoi ce gaz de production est refroidi dans un échangeur tubulaire 61 en passant dans un tube intérieur 62, alors que l'espace inter-tubulaire de cet échangeur 61 est lui-même parcouru par de l'eau de refroidissement introduit par une conduite 63 et évacué par une conduite 64 Le mélange de réformage refroidi est ensuite transféré par une conduite 66 vers un pot séparateur 75 délivrant de l'eau en cuve 67 et un mélange d'hydrogène impur en tête 68, qui est transféré par une conduite 69 vers une unité de séparation 70, généralement du type à adsorption ("Pressure swing adsorption PSA"), délivrant un gaz hydrogène pur par une conduite 71 et différents résiduaires combustibles par une conduite 72, qui alimentent le brûleur 15. Cn conçoit que la réalisation décrite o la chambre de combustion forme également le réacteur de reformage est particulièrement simple, car tous les circuits d'échange thermique du mélange de réformage d'une part, du fluide caloporteur d'autre part avec le mélange méthanol-eau y sont intégrés, à l'exception de la pompe de circulation du fluide caloporteur à proximité immédiate Il en résulte clairement une réduction sensible du coût d'investissement. Camne tous les échanges s'effectuent in situ, avec le fluide le plus chaud directement exposé à la flamme de combustion et en échange thermique immédiat avec le mélange en cours de réformage, on assure un rendement thermique optimal des échanges thermiques, de sorte que le coût de fonctionnement de l'installation s'en trouve également réduit. REVENDICATIOS 1 Procédé de production d'hydrogène ( 71) à partir de méthanol ( 2), du genre o un courant de mélange méthanol ( 2) et eau ( 3) est chauffé ( 6) en échange thermique du gaz de production ( 56), puis vaporisé, surchauffé ( 22) et mis en réaction ( 28-29) en échange thermique avec un fluide caloporteur ( 42-31-32-51), lui-même réchauffé par combustion ( 15) de résiduaires ( 72) issus notamment d'une unité de séparation gazeuse ( 70) produisant l'hydrogène pur ( 71), caractérisé en ce que les différents échanges thermiques sus-mentionnés sont tous effectués sur le pourtour d'une enceinte ( 12) formant à la fois réacteur de reformage ( 28-31) ( 29-32) et chamrbre de combustion ( 15) des résiduaires ( 72), les dits échanges thermiques de chauffage ( 5-56), de vaporisation et de surchauffe ( 22-51) et de réaction ( 28-31) ( 29-32) du mélange méthanol- eau s'effectuant au moyen d'échangeurs du type serpentins à double tubulure coaxiale, l'espace intertubulaire étant parcouru par le fluide le plus chaud. 2 Procédé de production d'hydrogène à partir de méthanol, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le serpentin à double tubulure ( 28-31) ( 29-32) de réaction du mélange vaporisé méthanol-eau à fluide caloporteur externe ( 45) est placé dans l'enceinte en exposition directe à la flanme de combustion ( 15) des résiduaires. 3 Procédé de production d'hydrogène à partir de méthanol, selon la revendication i ou 2, caractérisé en ce que le serpentin à double tubulure de vaporisation et surchauffe ( 22) du mélange méthanol-eau en échange avec le fuide caloporteur externe ( 51) est placé dans l'enceinte entre le serpentin de réaction ( 28-31) ( 29-32) de mélange vaporisé méthanol-eau et le serpentin de chauffe ( 5) du mélange liquide méthanol-eau en échange avec le gaz de réformage ( 56). 4 Installation de production d'hydrogène à partir de méthanol, du genre comportant un réacteur de réformage ( 12) alimenté en mélange vaporisé rméthanol-eau, un moyen de chauffe du mélange liquide méthanol-eau par échange thermique ( 5) avec le mélange gazeux de réformage ( 56), un moyen de vaporisation et surchauffe dudit mélange chauffé par échange thermique ( 23) avec un fluide caloporteur ( 51), un moyen de réaction dudit mélange vaporisé méthanol-eau par échange thermique ( 28-29) également avec ledit fluide caloporteur ( 31-32), des moyens de séparation ( 75) de l'eau du mélange de réformage par moyens de séparation ( 75) de l'eau du mélange de réformage par refroidissement et condensation ( 61-63-64), et des moyens d'élaboration d'hydrogène pur ( 70) délivrant des résiduaires combustibles ( 72), des moyens de chauffe ( 15) du fluide caloporteur ( 31-32) par combustion ( 15) notamnent des dits résiduaires combustibles ( 72), caractérisée en ce que les dits moyens d'échange thermique sont tous situés à la périphérie d'une même enceinte formant à la fois chambre de combustion des résiduaires ( 12) et réacteur de refornage ( 28-31) ( 29-32). Installation de production d'hydrogène à partir de méthanol, selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de chauffe ( 5-56) du mélarnge liquide méthanol-eau, les moyens de vaporisation et surchauffe du nmélange méthanol-eau ( 22-51) et les moyens de réaction ( 28-31) ( 2932) du mélange vaporisé nméthanol-eau forment trois ensembles échangeurs ( 6) ( 22), ( 28-31 et 29-32) respectivement du type serpentin à double tubulure, agencés concentriquement l'un à l'autre, l'échangeur le plus intérieur ( 28-31 et 29-32) délimitant la chambre de combustion proprement dite ( 12) avec son brûleur ( 15).