Brevet FR2701863A1 — publié le 19940902

REACTEUR THERMIQUE A TUBE A PASSAGE DIRECT DE COURANT. L'invention concerne un réacteur thermique permettant d'effectuer une réaction chimique à des conditions de température précises et contrôlées, et en particulier un réacteur thermique délivrant une atmosphère chargée en carbone et à potentiel carbone déterminé pour le traitement thermique de pièces métalliques (trempe, carbonitruration ou cémentation) dans des fours adaptés. De tels réacteurs, générateurs d'une atmosphère chargée en carbone dans les fours de traitement thermique sont connus. Ces réacteurs réalisent le craquage à une température déterminée d'un mélange de gaz entrant obtenu par un mélange d'air, et de méthane ou propane, en proportions variables, en un mélange gazeux chargé en carbone et notamment en monoxyde de carbone (CO) et hydrogène (H2), constituant ladite atmosphère carbonée. Ces réacteurs utilisent une enceinte étanche formant réacteur ou cornue chauffée extérieurement à la température voulue, et dont le mélange gazeux de sortie riche en carbone est refroidi (réaction de trempe) avant de parvenir au four de traitement thermique. Ces réacteurs nécessitent une installation relativement encombrante, difficile à contrôler et relativement coûteuse en énergie du fait des pertes thermiques externes dues à l'enceinte de chauffage du réacteur et également du fait du réchauffage nécessaire des gaz produits, trempés lors de leur introduction dans le four. L'invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un réacteur thermique comportant une enceinte dans laquelle une réaction chimique est effectuée à des conditions de température déterminées, caractérisé en ce que ladite enceinte est constituée par un tube à passage direct de courant, de volume et matériaux compatibles avec l'application, alimenté de façon adéquate par ses bornes de connexion en courant (basse tension) en fonction de sa résistance électrique pour produire en son sein les dites conditions de température de réaction, ledit tube étant monté de façon étanche et isolée électriquement avec des moyens d'alimentation en produits de réaction et des moyens de sortie des produits issus de la réaction. Naturellement, le tube peut contenir un catalyseur adapté à l'application envisagée et, par exemple, un catalyseur réfractaire à base d'oxyde de nickel, classique pour la production d'une atmosphère chargée en carbone dans les fours de traitement thermique. Ledit tube à passage de courant est un tube en tôle roulée soudée ou coulée centrifugée, en alliage métallique résistant à la chaleur (réfractaire) et par conséquent de fabrication simple et peu coûteuse. Des thermocouples de mesure de la température sont positionnés sur la longueur du tube de façon à déterminer précisément et localement le niveau de température exigé pour la réaction. Le niveau de température peut être commandé à un niveau variable et contrôlé aisément en faisant varier l'alimentation électrique du générateur de courant du tube. Le tube est avantageusement entouré d d'un revêtement isolant limitant les pertes thermiques externes, lesquelles sont minimes en raison du faible dimensionnement de l'ensemble du réacteur. Eventuellement, un passage pour un flux gazeux de refroidissement ou d'homogénéisation de température (air) peut être formé entre la paroi du tube et le revêtement isolant. Le débit du flux peut être régulé sur une consigne de température, au moyen d'un ventilateur commandé Naturellement, le réacteur peut être disposé à l'extérieur du four ou laboratoire recevant les produits de la réaction, une conduite de sortie calorifugée reliant le tube au four, mais il peut encore être disposé à l'intérieur de celui-ci, contribuant ainsi directement à son chauffage. Il peut être monté dans une position de direction quelconque (verticale ou horizontale). L'invention est expliquée ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation et en référence au dessin annexé, sur lequel la figure unique est un schéma d'un réacteur conforme à l'invention. Le réacteur 1 représenté est destiné à alimenter un four 3 de traitement thermique en un gaz ou atmosphère riche en carbone (selon flèche A). Il comporte une enceinte de réaction (5) proprement dite vers laquelle est acheminé au niveau inférieur un mélange gazeux (selon flèche B) constitué d' air et de méthane ou propane en proportion variable. L'atmosphère riche en carbone contenant en particulier les gaz (CO et H2) sort au niveau supérieur pour parvenir jusqu'au four. L'enceinte est constituée par un tube à passage direct de courant, lequel est alimenté par des bornes de connexion 7 à ses extrémités au moyen d' un générateur de courant non représenté.Ce tube est d'une technologie connue, étant constitué à partir d'une tôle en acier réfractaire, à base d'alliage de nickel-chrome, roulée et soudée, éventuellement coulée centrifugée. I1 résiste largement aux températures exigées pour le craquage des gaz d'entrée (inférieures à 11000C) décomposés en hydrogène, azote, monoxyde de carbone, et dioxyde de carbone, vapeur d'eau et méthane (en faibles quantités), selon la proportion précitée des gaz d'entrée en air, en méthane ou propane. Ce tube peut avoir un diamètre de l'ordre de 100 mm et une longueur de 1500 mm. I1 contient un catalyseur réfractaire 9 à base d'oxyde de nickel accélérant la réaction. Il est parcouru par un courant de basse tension et à une intensité importante, de l'ordre de par exemple 1000 à 3000 A. Le tube est isolé thermiquement par un revêtement de calorifugeage externe 11. Un joint 13 isole électriquement la conduite d'entrée 15 du mélange gazeux au réacteur. De même, la conduite 17 de l'atmosphère carbonée de sortie est isolée par un joint analogue 19. La conduite d'entrée précitée est reliée à deux branches en parallèle alimentées respectivement en air et en gaz CH4 ou C3H8. Le mélange final formé à partir de l'air et du gaz CH4 ou C3H8 s'effectue à proportions variables, contrôlées au moyen de deux vannes à débit massique 21 sur chacune des branches précitées. Le fonctionnement du réacteur s'effectue sous la commande d'une unité de commande, par exemple un microprocesseur 23 relié par diverses relations au tube de réacteur et pilotant ses organes d'alimentation. Les diverses relations sont constituées par les paramètres d'entrée au réacteur, proportions en air, et gaz CH4 ou C3H8, déterminées sur les vannes à débits massiques 21, de réactions (température et catalyseur) et de sortie consignes de potentiel carbone déterminées par les proportions de CO, C02, CH4, et H20 de l'atmosphère produite par le réacteur et exigée pour le traitement thermique dans le four.Ainsi, un thermocouple 25 appliqué sur la paroi du tube et relié en 27 au microprocesseur renseigne sur la température.Le potentiel carbone est contrôlé au moyen d'une sonde 29 disposée à la sortie de la conduite acheminant l'atmosphère carbonée au four et éventuellement au moyen d'une autre sonde (non représentée) disposée à l'intérieur du four ou laboratoire recevant des produits de réaction. Le signal correspondant de la sonde ou des sondes est envoyé au microprocesseur au moyen d'une liaison 31. Les vannes d'entrée 21 sont reliées en contrôle commandé au microprocesseur au moyen des liaisons 33 et 35. Le microprocesseur, en fonction des consignes précitées, régule la température du réacteur en commandant à un niveau approprié l'alimentation du générateur du tube (non représenté) ; de même il commande les débits des vannes à débit massiques précitées, ainsi que la proportion en gaz CH4 ou C3H8 à l'entrée. Le microprocesseur pourra également commander le brûlage des suies, sur des fréquences relativement rapprochées (pour éviter un dépôt excessif et donc une température excessive de brûlage) avec le contrôle simultané de la température palliant à toute détérioration par surchauffe du tube. Naturellement, d'autres paramètres de sécurité du réacteur, non spécifiques de la technologie du tube, liés au fonctionnement du four, peuvent également être pris en compte, tel que la gestion d'une amenée d'azote de sécurité pour le four et en fonction des défauts observés. REVENDICATIONS 1. Réacteur thermique comportant une enceinte (5) dans laquelle une réaction chimique est effectuée à des conditions de température déterminées, caractérisé en ce que ladite enceinte (5) est constituée par un tube à passage direct de courant, de volume et matériaux compatibles avec l'application, alimenté de façon adéquate par ses bornes de connexion (7) en courant (basse tension) en fonction de sa résistance électrique pour produire en son sein les dites conditions de température de réaction, ledit tube étant monté de façon étanche et isolée électriquement en (13, 19) avec des moyens d'alimentation (15) en produits de réaction et des moyens de sortie (17) des produits issus de la réaction. 2. Réacteur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un élément catalyseur (9) de la réaction, par exemple un catalyseur réfractaire à base d'oxyde de nickel, pour la production d'une atmosphère chargée en carbone pour le traitement thermique de pièces métalliques (trempe, cémentation, carbonitruration) dans des fours adaptés. 3. Réacteur thermique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit tube à passage de courant est un tube en alliage métallique résistant à la chaleur (réfractaire) et bon conducteur électrique, en tôle roulée, soudée ou coulée centrifugée. 4. Réacteur thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des thermocouples de mesure de la température (25) sont positionnés sur la longueur du tube, de façon à déterminer précisément et localement le niveau de température exigé pour la réaction, le niveau de température étant commandé à un niveau variable et contrôlé en faisant varier l'alimentation électrique du tube. 5. Réacteur thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube (5) est entouré d'un revêtement isolant (11) limitant les pertes thermiques externes. 6. Réacteur thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un passage pour un flux gazeux de refroidissement ou d'homogénéisation de température est formé entre la paroi du tube (5) et le revêtement isolant (11). 7. Réacteur thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est disposé à l'intérieur ou à l'extérieur du four de traitement ou laboratoire recevant les produits de réaction, monté dans une direction quelconque (verticale ou horizontale). 8. Réacteur thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est commandé en fonctionnement à un niveau variable par une unité de commande (23), qui, en fonction de consignes exigées pour l'atmosphère carbonée (potentiel carbone pour le traitement thermique) et déterminées par une ou des sonde(s) de mesure (29), régule le niveau de température au sein du tube (5) (mesuré par un thermocouple 25), l'alimentation du mélange gazeux d'entrée (via des vannes de régulation de débit 21) de chacun des composants gazeux, air et gaz méthane ou propane) et éventuellement des paramètres de maintenance (brûlage des suies à fréquence rapprochée) et de sécurité (amenée d'azote) pour l'extinction de la réaction en cas de défauts ou surchauffe.