Brevet FR3010916A1 — publié le 20150327

. DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention vise un réacteur de méthanation pour faire réagir de l'hydrogène avec un composé à base de carbone et produire du méthane. Elle s'applique notamment à la méthanation industrielle et à la cogénération d'énergie 5 thermique et de méthane. ETAT DE LA TECHNIQUE La méthanation est un procédé industriel de conversion catalytique de l'hydrogène et du monoxyde ou du dioxyde de carbone en méthane. 10 Selon la nature du composé à base de carbone, la formule de la réaction de méthanation change. Cette formule est, selon le cas : CO + 3 H2 + CH4 ± H20 CO2 ± 4 H2 + CH4 ± 2 H20 Afin d'optimiser les rendements de cette réaction, un lit de catalyseur est placé 15 dans un réacteur dans lequel a lieu la réaction. Ce lit peut être fixe ou fluidisé. La réaction de méthanation étant fortement exothermique, elle entraîne des besoins importants d'évacuation de la chaleur et donc de refroidissement du réacteur. Un lit de catalyseur fluidisé permet d'homogénéiser la température de la zone réactive. Enfin, la cinétique de cette réaction aux températures habituellement mises en 20 oeuvre est élevée, nécessitant, de fait, une masse faible de catalyseur. Dans des systèmes actuels à lits fixes, appelés « Throughwall Cooled Reactor » (traduit en français par « Réacteur refroidi à travers les parois »), un échange thermique est réalisé par des parois du réacteur refroidies par un fluide de refroidissement. Cependant les surfaces nécessitées pour réaliser l'échange 25 thermique sont importantes et les coûts de fabrication du réacteur sont élevés. Dans des systèmes actuels à lits fluidisés, un ou plusieurs échangeurs de chaleur sont immergés dans le lit fluidisé à l'intérieur du réacteur. On met alors en circulation dans ces échangeurs de l'eau, de la vapeur d'eau ou une huile thermique, par exemple. Les coefficients d'échange thermique entre la paroi de l'échangeur et le 30 lit fluidisé sont très importants, de l'ordre des coefficients d'échange thermique entre un liquide et une paroi. Cependant, l'utilisation d'huiles thermiques n'est possible que jusqu'à des températures de réaction de l'ordre de 380°C à 400°C. De plus, dans ces systèmes, la taille du réacteur dépend de la taille occupée par chaque échangeur à immerger dans le lit fluidisé. Ces systèmes entraînent un coût de fabrication et une utilisation d'espace non optimisés du réacteur. Par ailleurs, l'efficacité des échanges de chaleur entre le lit et le fluide de refroidissement dépend fortement des conditions de fluidisation. Dans des systèmes actuels à lits fixes ou à lits fluidisés, l'injection de vapeur en mélange avec l'hydrogène et le composé à base de carbone permet de limiter la forme d'un dépôt de carbone sous forme de coke sur le catalyseur dont l'une des conséquences est une désactivation prématurée du catalyseur. Enfin, les catalyseurs de méthanation étant préférentiellement constitués au moins en partie de nickel, la réaction de méthanation risque d'entrainer la formation de carbonyle, un composé hautement toxique, au contact de parois portées à une température inférieure à 260°C, ce qui complique le système de refroidissement. OBJET DE L'INVENTION La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. L'invention vise notamment à proposer un agencement du réacteur de méthanation comportant des moyens de refroidissements. A cet effet, la présente invention vise, selon un premier aspect, un réacteur de méthanation pour faire réagir du dihydrogène avec au moins un composé à base de carbone et produire du méthane, caractérisé en ce qu'il comporte : - un corps creux configuré pour recevoir un lit fluidisé et comportant une entrée du composé à base de carbone, - une sortie de méthane et d'eau produits par une réaction de méthanation, - un échangeur de chaleur traversant au moins partiellement le corps creux et au moins partiellement immergé dans le lit fluidisé et - un moyen d'introduction de vapeur d'eau saturée à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, la vapeur étant surchauffée au contact de la paroi de l'échangeur. Grâce à ces dispositions, la température de peau de l'échangeur dans le corps creux est inférieure à la température de réaction mais supérieure à 260°C. Ces dispositions permettent donc d'éviter la formation de carbonyle dans le réacteur tout en assurant une maitrise de la température de réaction en utilisant un liquide de refroidissement facile d'emploi Dans des modes de réalisation, le réacteur objet de la présente invention comporte, en aval de la partie de l'échangeur de chaleur traversant le corps creux, un moyen de refroidissement de la vapeur surchauffée configuré pour saturer la vapeur surchauffée. L'avantage de ces modes de réalisation est de permettre une utilisation de la vapeur ainsi refroidie à d'autres effets. Dans des modes de réalisation, le moyen de refroidissement de la vapeur surchauffée comporte une entrée d'eau. Ces modes de réalisation ont l'avantage de permettre à la fois de refroidir la vapeur surchauffée et de produire de la vapeur saturée pouvant être valorisée. Dans des modes de réalisation, le réacteur objet de la présente invention comporte un capteur de température à l'intérieur du réacteur et un moyen de régulation du débit de vapeur surchauffée en fonction de la température mesurée par le capteur de température. L'avantage de ces modes de réalisation est qu'ils permettent d'ajuster le refroidissement à l'intérieur du corps creux en fonction de la température de la réaction. Dans des modes de réalisation, la méthanation réalisée dans le réacteur est la méthanation du monoxyde de carbone définie par la formule : CO + 3H2 '=^ CH4 + 20 H20. Dans des modes de réalisation, la méthanation réalisée dans le réacteur est la méthanation du dioxyde de carbone définie par la formule : CO2 + 4H2 '=^ CH4 + 2H20. Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de 25 méthanation pour faire réagir du dihydrogène avec au moins un composé à base de carbone et produire du méthane, qui comporte : une étape d'entrée du composé à base de carbone dans un corps creux configuré pour recevoir un lit fluidisé, une étape de sortie de méthane et d'eau produits par une réaction de 30 méthanation, une étape de transmission de vapeur saturée à un échangeur de chaleur traversant au moins partiellement le corps creux et - une étape d'échange de chaleur entre la vapeur et le milieu réactionnel à l'intérieur du corps creux au cours de laquelle la vapeur est progressivement surchauffée au contact de la paroi de l'échangeur. Les avantages, buts et caractéristiques particulières de ce procédé étant similaires à ceux du réacteur de méthanation objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l'invention ressortiront de la description non limitative qui suit d'au moins un mode de réalisation particulier du réacteur et du procédé de méthanation pour faire réagir du dihydrogène avec au moins un composé à base de carbone et produire du méthane objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier du réacteur de méthanation objet de la présente invention et - la figure 2 représente, sous forme d'un logigramme, des étapes d'un mode de réalisation particulier du procédé de méthanation objet de la présente invention. zo DESCRIPTION D'EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION La présente description est donnée à titre non limitatif. On note, dès à présent, que la figure 1 n'est pas à l'échelle. On observe, sur la figure 1, un premier mode de réalisation du réacteur 10 objet de la présente invention. Ce réacteur 10 de méthanation fait réagir de 25 l'hydrogène avec un composé à base de carbone et produit du méthane. Le réacteur 10 comporte : - un corps creux 105 configuré pour recevoir un lit fluidisé 106 et comportant une entrée 110 du composé à base de carbone et de dihydrogène, - une sortie de méthane et d'eau 115 produits par la réaction de méthanation, 30 - un échangeur 120 de chaleur traversant au moins partiellement le corps creux et au moins partiellement immergé dans le lit fluidisé 106, - un moyen 127 d'introduction de vapeur d'eau saturée à l'intérieur de l'échangeur 120 de chaleur, - un moyen de refroidissement et de saturation 135 de la vapeur surchauffée comportant une entrée d'eau 140, - une sortie pour vapeur saturée 145 et - un moyen de régulation 125 du débit de vapeur en fonction de la température. à l'intérieur du corps creux 105 mesurée par un capteur de température 107. On appelle vapeur surchauffée de la vapeur à une température supérieure à la température de saturation. La température d'une vapeur surchauffée n'est pas fonction de la pression. On appelle « vapeur saturée » de la vapeur d'eau pour laquelle le couple pression-température correspond à celui du changement d'état Io liquide-gaz. Le corps creux 105 est, par exemple, un cylindre de révolution métallique dont les extrémités sont closes. Ce corps creux 105 comporte une entrée non représentée configurée pour permettre l'insertion d'un lit de catalyseur fluidisé dans le corps creux 105. 15 Ce corps creux 105 comporte une entrée 110 du composé à base de carbone, de vapeur d'eau et de dihydrogène qui est, par exemple, une buse d'injection configurée pour injecter le composé à base de carbone dans le lit fluidisé au niveau de la base du corps creux 105. Ce corps creux 105 comporte, en outre, une sortie de méthane et d'eau 115 20 produits par la réaction de méthanation. Cette sortie de méthane et d'eau 115 est, par exemple, une canalisation située sur une extrémité supérieure du corps creux 105. Le moyen 127 d'introduction de vapeur d'eau saturée à l'intérieur de l'échangeur 120 de chaleur est, par exemple, un conduit permettant d'introduire de la 25 vapeur d'eau saturée dans l'échangeur 120 de chaleur. Le débit de vapeur d'eau est régulé par le moyen de régulation 125. L'échangeur de chaleur 120 est, par exemple, une canalisation tubulaire plongée dans le lit fluidisé du corps creux 105 et connecté au moyen de régulation 125 du débit de vapeur. La vapeur circule et est surchauffée dans cet échangeur 120 30 et réalise un échange de chaleur avec la paroi de l'échangeur 120, la paroi de l'échangeur 120 réalisant un échange de chaleur avec le lit fluidisé et abaissant, en conséquence, la température de réaction dans le corps creux 105. Ce réacteur 10 comporte, en aval de la partie l'échangeur 120 immergée dans le lit fluidisé, et à l'extérieur du corps creux 105, un moyen de refroidissement 135 de la vapeur surchauffée comportant une entrée d'eau 140. Ce moyen de refroidissement 135 est, par exemple, un réservoir faisant la jonction entre l'eau entrée et la vapeur surchauffée provenant du l'échangeur 120. Ce réacteur 10 comporte, en outre, une sortie pour vapeur saturée 145 qui est, par exemple, une canalisation permettant à une partie de la vapeur saturée d'être évacuée. La vapeur saturée conservée retourne au moyen de régulation 125 du débit de vapeur. Ce réacteur 10 comporte, de plus, un moyen de régulation 125 du débit de vapeur surchauffée en fonction de la température à l'intérieur du corps creux. Ce moyen de régulation 125 est, par exemple, une valve commandée par un circuit électronique. Le circuit électronique régule le débit de vapeur surchauffée en fonction de la température mesurée par le capteur de température 107 pour que le débit soit une fonction croissante de la température mesurée. Le réacteur 10 est configuré pour réaliser une réaction de méthanation du monoxyde de carbone définie par la formule : CO + 3H2 '=^ CH4 + H20. Dans des variantes, ce réacteur 10 est configuré pour réaliser une réaction de méthanation du dioxyde de carbone définie par la formule : CO2 + 4H2 '=^ CH4 + 2H20. On observe, sur la figure 2, un logigramme d'étapes d'un mode de réalisation particulier du procédé 20 de méthanation pour faire réagir de l'hydrogène avec un composé à base de carbone et produire du méthane. Ce procédé 20 comporte : - une étape 205 d'entrée du composé à base de carbone dans un corps creux configuré pour recevoir un lit fluidisé, - une étape de 210 de transmission de vapeur saturée à un échangeur de chaleur traversant au moins partiellement le corps creux, - une étape 215 d'échange de chaleur entre la vapeur et le milieu réactionnel à l'intérieur du corps creux et de surchauffe de cette vapeur, - une étape 220 de réaction de méthanation entre de l'hydrogène et le composé à base de carbone pour produire du méthane et de l'eau, - une étape 225 de sortie de méthane et d'eau et - une étape 230 de mesure de température à l'intérieur du corps creux. L'étape 205 d'entrée du composé à base de carbone dans le corps creux est réalisée, par exemple, par la mise en oeuvre de buses d'injection qui injectent du monoxyde ou du dioxyde de carbone dans le corps creux. L'étape 210 de transmission est réalisée, par exemple, par la mise en oeuvre 5 d'une turbine configurée pour pousser la vapeur surchauffée produite dans l'échangeur de chaleur. L'étape 215 d'échange de chaleur entre la vapeur surchauffée et le milieu réactionnel a lieu par échanges de chaleur successifs entre la vapeur surchauffée et la paroi intérieure de l'échangeur et entre la paroi extérieure de l'échangeur et le lit 10 fluidisé. L'étape 225 de sortie de méthane et d'eau est réalisée, par exemple, par la mise en oeuvre d'une canalisation située sur une surface supérieure du corps creux. Le mesure de température à l'intérieur du corps creux réalisée au cours de l'étape 230 sert à l'asservissement du débit de vapeur surchauffé introduit dans 15 l'échangeur de chaleur au cours de l'étape 210, ce débit étant une fonction croissante de la température à l'intérieur du corps creux. Les différentes étapes représentées en figure 2 sont réalisées en permanence et simultanément pendant le fonctionnement nominal du réacteur. Comme on le comprend à la lecture de la description qui précède, la présente 20 invention permet de réaliser le refroidissement d'un corps creux hôte d'une réaction de méthanation sans risque de formation de carbonyle. Le refroidissement est réalisé par la mise en circulation dans un échangeur traversant le corps creux de vapeur qui est surchauffée dans l'échangeur. Enfin, la température à l'intérieur du réacteur est asservie par introduction de vapeur selon une fonction croissante de la température 25 mesurée dans le réacteur et la production de carbonyle peut être minimisée. NOMENCLATURE 10 Réacteur de méthanation 105 Corps creux 106 Lit de catalyseur 107 Capteur de température à l'intérieur du réacteur 110 Entrée du composé à base de carbone 115 Sortie de méthane et d'eau 120 Échangeur de chaleur 125 Moyen de régulation du débit de vapeur surchauffée en fonction de la température à l'intérieur du corps creux 127 Moyen de transmission de vapeur saturée 135 Moyen de refroidissement de la vapeur surchauffée 140 Entrée d'eau 145 Sortie pour vapeur saturée 20 Procédé de méthanation 205 Étape d'entrée du composé à base de carbone 210 Étape de transmission de vapeur saturée à un échangeur de chaleur 215 Étape d'échange de chaleur 220 Etape de réaction de méthanation 225 Étape de sortie de méthane et d'eau 230 Etape de mesure de température du réacteur REVENDICATIONS1. Réacteur (10) de méthanation pour faire réagir du dihydrogène avec au moins un composé à base de carbone et produire du méthane, caractérisé en ce qu'il comporte : - un corps creux (105) configuré pour recevoir un lit fluidisé et comportant une entrée (110) du composé à base de carbone, une sortie de méthane et d'eau (115) produits par une réaction de méthanation, - un échangeur (120) de chaleur traversant au moins partiellement le corps creux et au moins partiellement immergé dans le lit fluidisé et un moyen (127) d'introduction de vapeur d'eau saturée à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, la vapeur étant surchauffée au contact de la paroi de l'échangeur. 2. Réacteur (10) selon la revendication 1, qui comporte, en aval de la partie de l'échangeur (120) de chaleur traversant le corps creux (105), un moyen de refroidissement (135) de la vapeur surchauffée configuré pour saturer la vapeur surchauffée. 3. Réacteur (10) selon la revendication 2, dans lequel le moyen de refroidissement zo (135) de la vapeur surchauffée comporte une entrée d'eau (140). 4. Réacteur (10) selon l'une des revendications 1 à 3, qui comporte un capteur de température (107) à l'intérieur du réacteur et un moyen de régulation (125) du débit de vapeur saturée en fonction de la température mesurée par le capteur de 25 température. 5. Réacteur (10) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la méthanation réalisée dans le réacteur est la méthanation du monoxyde de carbone définie par la formule : CO + 3H2 '=^ CH4 + H20. 6. Réacteur (10) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la méthanation réalisée dans le réacteur est la méthanation du dioxyde de carbone définie par la formule : CO2 + 4H2 '=^ CH4 + 2H20. 7. Procédé (20) de méthanation pour faire réagir du dihydrogène avec au moins un composé à base de carbone et produire du méthane, caractérisé en ce qu'il comporte : une étape (205) d'entrée du composé à base de carbone dans un corps creux configuré pour recevoir un lit fluidisé, une étape (225) de sortie de méthane et d'eau produits par une réaction de méthanation, une étape (210) de transmission de vapeur saturée à un échangeur de chaleur traversant au moins partiellement le corps creux et une étape (215) d'échange de chaleur entre la vapeur et le milieu réactionnel à l'intérieur du corps creux au cours de laquelle la vapeur est progressivement surchauffée au contact de la paroi de l'échangeur.