Brevet FR2666030A1 — publié le 19920228

PROCEDE D'HUMIDIFICATION D'UN GAZ ET DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE. Description La présente invention a pour objet un procédé d'humidification d'un gaz et un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Elle s'applique notamment à tous les domaines où il est nécessaire d'utiliser un gaz humide, avec un taux d'humidité déterminé ou bien un gaz humide avec un taux d'humidité et une proportion d'oxygène déterminés (gaz d'inertage pour four à céramique, système d'étalonnage hygrométrique d'un Laboratoire, oxydation contrôlée d'un matériau, traitement de surface, ...). Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un humidificateur d'un type connu, utilisé par exemple pour l'alimentation en gaz d'inertage d'un four à céramique. On peut voir que le gaz sec à humidifier est mélangé avec ce même gaz mais saturé en vapeur d'eau. Pour cela une canalisation 10 d'amenée de gaz sec pénètre dans une cuve 12 fermée et contenant de L'eau désionisée 13. Un moyen de chauffage 14 (résistance chauffante ou autre) chauffe l'eau à l'intérieur de la cuve 12 de manière à favoriser la formation de vapeur d'eau 16. Pour compenser le vidage de l'eau de la cuve 12, cette dernière est reliée à un réservoir (non représenté) par une canalisation 11 pour le remplissage de la cuve 12. La canalisation 10 se termine par un serpentin 18 plongé dans le liquide 13. De cette manière, le gaz sec, bullé dans l'eau 13, ressort saturé. Il est évacué par une canalisation de sortie 20 qui est raccordée au point R à une canalisation principale 22 transportant du gaz sec. A partir du raccord R, le gaz en circulation dans la canalisation 22 est humidifié. Une sonde d'analyse 28 permet de contrôler le taux d'humidité du gaz transporté dans la canalisation 22 pour sa délivrance dans le four à céramique (non représenté). En fonction du taux d'humidité souhaité et des résultats des mesures effectuées par la sonde d'analyse, le débit du gaz sec qui va être saturé en eau peut être réglé en manoeuvrant une vanne 30 raccordée à La canalisation 10 en amont de la cuve 12. Un débitmètre 24 et une vanne réglable 26 permettent aussi de régler la proportion de gaz saturé en eau que l'on mélange au gaz sec. Un inconvénient majeur de ce dispositif provient du fait que la température de l'eau de la cuve 12 doit être maintenue en permanence à une valeur sensiblement constante alors que le niveau d'eau fluctue. Les phases de remplissage de la cuve 12 provoquent un déséquilibre thermique du bain défavorable à la saturation du gaz sec en eau. De plus, un dispositif conforme à l'art antérieur nécessite une alimentation en eau adoucie. Le système hydraulique présente de plus un risque non négligeable de fuites. La présente invention pallie ces inconvénients. Elle préconise la production de gaz humidifié à partir d'un mélange constitué de gaz sec, d'hydrogène et d'oxygène en proportions déterminées. De cette manière, le taux d'humidité peut parfaitement être contrôlé : il reste stable dans le temps sans que des réglages délicats soient nécessaires. De plus, au cours de la réaction chimique de production de vapeur d'eau, le gaz humidifié peut être rendu à volonté oxydant ou réducteur, simplement en jouant sur Les proportions relatives d'hydrogène et d'oxygène. De façon plus précise, la présente invention concerne un procédé d'humidification d'un gaz comprenant les étapes suivantes a) former un mélange gazeux contenant ledit gaz à humidifier, et, en proportions déterminées, de l'hydrogène et de l'oxygène ; b) faire réagir chimiquement l'hydrogène et l'oxygène du mélange de manière à obtenir ledit gaz à humidifier mélangé à une proportion souhaitée de vapeur d'eau. La formation d'eau à partir d'hydrogène et d'oxygène évite l'utilisation d'une cuve qui nécessite un entretien pour éviter les fuites d'eau, et des mises à niveau régulières contraignantes. La proportion d'hydrogène mélangé au gaz à humidifier est avantageusement comprise entre 1 et 8 %. Selon une variante, les proportions d'hydrogène et d'oxygène sont choisies telles que le gaz à humidifier mélangé à de la vapeur d'eau est réducteur. Selon une autre variante, les proportions d'hydrogène et d'oxygène sont choisies tel Les que le gaz à humidifier mélangé à de la vapeur d'eau est oxydant. Selon l'application envisagée, par le choix des proportions en hydrogène et oxygène, on peut modifier les caractéristiques chimiques du gaz à volonté, sans ajouter d'étapes supplémentaires au procédé d'humidification. Avantageusement, Le procédé comprend une étape de filtrage qui permet d'éliminer les impuretés éventuelles mélangées au gaz humidifié lors de la réaction chimique. Le gaz humidifié est à haute température après la réaction chimique ; avantageusement, on le porte à une température déterminée dont la valeur dépend de l'application envisagée. La présente invention concerne aussi un dispositif pour la mise en oeuvre du précédent procédé. Ce dispositif comporte : - des moyens pour former un mélange contenant le gaz à humidifier et en proportions déterminées, de lthydrogène et de l'oxygène, - un réacteur chimique pour au moins une réaction entre l'oxygène et l'hydrogène du mélange contenant le gaz à humidifier et de l'hydrogène et de l'oxygène, pour former un autre mélange constitué dudit gaz et de vapeur d'éau. Avantageusement, le réacteur chimique est un réacteur catalytique à mousse de palladium. De manière préférée, le dispositif comprend des moyens pour contrôler la température du mélange formé par ledit gaz et la vapeur d'eau, ces moyens étant aptes à stopper la réaction entre l'oxygène et L'hydrogène lorsque la témpérature du mélange formé par ledit gaz et la vapeur d'eau dépasse un seuil déterminé. Selon une variante de réalisation, Le dispositif comprend des moyens de contrôle de la proportion de valeur d'eau dans le mélange formé par ledit gaz et la vapeur d'eau, ces moyens étant aptes à modifier au moins la proportion d'oxygène du mélange contenant le gaz à humidifier, de l'oxygène et de l'hydrogène. Avantageusement, le dispositif comporte un moyen de filtrage relié par une entrée à une sortie du réacteur chimique. Ce moyen de filtrage permet d'éliminer les impuretés éventuelles pouvant apparaître au cours de la réaction chimique. Le mélange humidifié est réalisé à haute température, il est avantageux de réduire sa température avant son utilisation. Pour cela, le dispositif comporte un échangeur de chaleur relié par une entrée à une sortie du moyen de filtrage. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux après la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un humidificateur connu, - la figure 2 représente schématiquement un dispositif conforme à l'invention. En référence à la figure 2, on décrit maintenant un dispositif d'humidification conforme à l'invention. Le gaz sec à humidifier circule dans une canalisation 32 ; son débit peut être réglé et contrôlé au moyen d'une vanne 34 et d'un débitmètre 36 constituant un débitmètre massique, raccordés sur la canalisation 32. Le gaz à humidifier est mélangé à de l'hydrogène dans des proportions pouvant aller par exemple de 1 à 8 %. L'hydrogène circule dans une canalisation 38 raccordée en un point H à la canalisation 32 pour la circulation du gaz sec. Son débit peut être réglé et contrôlé au moyen d'une vanne 40 et d'un débitmètre 42 constituant un débitmètre massique, raccordés sur la canalisation 38. En aval du point H, un mélange de gaz sec et d'hydrogène circule dans la canalisation 32. La canalisation 32 est raccordée à un mélangeur 44, par exemple du type à mèches en inox. D'autre part, une canalisation 46 pour la circulation d'oxygène est aussi raccordée au mélangeur 44. Le débit d'oxygène peut être réglé et contrôlé au moyen d'une vanne 48 et d'un débitmètre 50 constituant un débitmètre massique, raccordés sur la canalisation 46. Le mélangeur 44 permet d'obtenir un mélange homogène de gaz à humidifier, d'hydrogène et d'oxygène. Le mélange est injecté dans un réacteur chimique 52, par exemple du type catalytique à mousse de palladium. Au cours de la réaction chimique qui s'effectue dans le réacteur 52, l'oxygène se combine à l'hydrogène pour former de la vapeur d'eau. On obtient bien un mélange de gaz à humidifier et de vapeur d'eau, cette dernière étant en proportion déterminée par le choix des proportions d'hydrogène et d'oxygène. Ce choix permet aussi d'obtenir à volonté un mélange humide réducteur ou bien oxydant. La réaction chimique entre l'oxygène et l'hydrogène est exothermique. Un thermomètre 54, par exemple à thermocouple, permet de mesurer la température du mélange humide. Lorsque cette température dépasse un seuil fixé en fonction du degré d'hygrométrie requis, le thermomètre 54 délivre un signal de dépassement de seuil sur une sortie. Des moyens de commande 56 sont reliés par une entrée à la sortie du thermomètre. A la réception du signal de dépasssement de seuil, les moyens de commande 56 actionnent, électriquement par exemple, la vanne 48 et régulent ou coupent complètement le débit d'oxygène. A la sortie du réacteur chimique 52, des moyens de filtrage 58, par exemple du type 1 à 4tam, filtrent les impuretés éventuellement contenues dans le mélange humide. A la sortie des moyens de filtrage 58, le mélange humide possède une température élevée, aux alentours de 1000C. Un échangeur thermique 60 par exemple du type gaz-air raccordé aux moyens de filtrage 58 permet d'abaisser la température, par exemple à une trentaine de degrés Celsius, température plus favorable pour les applications. Une canalisation de sortie 62 raccordée à la sortie de l'échanteur de chaleur 60 permet la circulation du mélange humide vers son lieu d'utilisation. Raccordé en dérivation sur la canalisation de sortie 62, un analyseur d'humidité 64, par exemple du type de celui commercialisé par la Société PANAMETRICS sous la référence SYSTEME V, permet de contrôler, en continu, le taux d'humidité du gaz. La valeur du taux d'humidité est affichée par un circuit d'interface 66 relié à l'analyseur d'humidité 64. Ce circuit d'interface 66 délivre un signal électrique de réglage sur une sortie reliée à une entrée des moyens de commande 56. De cette manière, en fonction du taux d'humidité mesuré, les moyens de commande 56 agissent sur la vanne 48 pour modifier le débit d'oxygène, de manière à obtenir le taux d'humidité désiré. Selon une variante de réalisation représentée également sur la figure 2, pour le réglage et le contrôle en continu du taux d'humidité, les débitmètres 36, 42, 50 mesurant respectivement les débits de gaz sec, d'hydrogène et d'oxygène délivrent des signaux électriques représentatifs de ces débits sur des sorties reliées à des entrées des moyens de commande 56. En fonction du taux d'humidité désiré, les moyens de commande 56 agissent, par exemple électriquement, sur les différentes vannes 34, 40, 48 qui règlent l'arrivée du gaz sec, de l'hydrogène et de l'oxygène. Le procédé d'humidification et le dispositif pour sa mise en oeuvre, conformes à l'invention, présentent de nombreux avantages. Le taux d'humidité est réglable et peut être contrôlé de façon très fine, avec une erreur inférieure à 5 Vpm. Le dispositif est étanche par rapport à l'environnement, ce qui permet de l'utiliser avec des gaz à humidifier coûteux ou dangereux. Il permet, de plus, de travailler avec un gaz en pression. Le dispositif autorise de fortes variations de débit tout en maintenant un taux d'humidité constant. De plus, le procédé peut être mis en oeuvre de façon complètement automatique. L'invention ne se limite nullement aux exemples de réalisation plus spécialement décrits et représentés ; elle en admet toutes les variantes. Revendications 1. Procédé d'humidification d'un gaz, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) former un mélange gazeux contenant ledit gaz à humidifier, et, en proportions déterminées, de l'hydrogène et de l'oxygène ; b) faire réagir chimiquement l'hydrogène et l'oxygène -du mélange de manière à obtenir ledit gaz à humidifier mélangé à une proportion souhaitée de vapeur d'eau. 2. Procédé d'humidifcation d'un gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mélange ledit gaz à humidifier à de l'hydrogène dans une proportion contenue dans une gamme allant de 1 à 8 X. 3. Procédé d'humidification d'un gaz selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les proportions d'hydrogène et d'oxygène sont choisies telles que le gaz à humidifer mélangé à de la vapeur d'eau est oxydant. 4. Procédé d'humidification d'un gaz selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les proportions d'hydrogène et d'oxygène sont choisies telles que le gaz à humidifier mélangé à de la vapeur d'eau est réducteur. 5. Procédé d'humidification d'un gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de filtrage. 6. Procédé d'humidification d'un gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste à porter ledit gaz mélangé à de la vapeur d'eau à une température déterminée. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte - des moyens pour former un mélange contenant le gaz à humidifier et en proportions déterminées, de l'hydrogène et de l'oxygène, - un réacteur chimique pour au moins une réaction entre l'oxygène et l'hydrogène du mélange contenant le gaz à humidifier et de l'hydrogène et de l'oxygène, pour former un autre mélange constitué dudit gaz et de vapeur d'eau. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le réacteur chimique est un réacteur catalytique à mousse de palladium. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour contrôler la température du mélange formé par ledit gaz et la vapeur d'eau, ces moyens étant aptes à stopper la réaction entre l'oxygène et l'hydrogène lorsque la température du mélange formé par ledit gaz et la vapeur d'eau dépasse un seuil déterminé. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de contrôle de la proportion de vapeur deau dans le mélange formé par ledit gaz et la vapeur d'eau, ces moyens étant aptes à modifier au moins la proportion d'oxygène du mélange contenant Le gaz à humidifier, de l'oxygène et de l'hydrogène. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de filtrage relié par une entrée à une sortie du réacteur chimique. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en -ce qu'il comporte un échangeur de chaleur relié par une entrée à une sortie du moyen de filtrage.