Brevet FR3123228A1 — publié le 20221202

Un réacteur à plasma (1) de type à barrière diélectrique, pour activer une réaction chimique en phase gazeuse, comprend au moins une conduite tubulaire (11) en matériau diélectrique, une électrode interne (13) et une électrode externe (12). L’électrode interne est limitée à l’entrée d’une zone active (10a) du réacteur, pour que des impulsions de tension électrique qui sont appliquées entre les deux électrodes génèrent des décharges propagatives dans la zone active. Le réacteur produit un contact volumique entre un flux gazeux (F) qui contient des réactifs et un plasma qui est créé par les décharges, permettant un transfert efficace d’énergie d’activation entre le plasma et les réactifs. Figure d’abrégé : Figure 1 REACTEUR A PLASMA DE TYPE A BARRIERE DIELECTRIQUE La présente description concerne un réacteur à plasma de type à barrière diélectrique. L’utilisation d’un réacteur à plasma pour activer une réaction chimique en phase gazeuse est connue. Le rôle du plasma est d’apporter une énergie d’activation suffisante aux réactifs pour que la réaction se produise plus rapidement. Lorsque le réacteur est conçu pour produire la réaction avec une alimentation continue en réactifs, le plasma permet d’obtenir un taux de conversion de ces réactifs qui est supérieur, à durée égale de présence des réactifs dans le réacteur. De nombreuses configurations de réacteurs à plasmas ont déjà été proposées. Des enjeux pour ces configurations sont les suivants : - obtenir des valeurs élevées de taux de conversion des réactifs, - obtenir un fonctionnement stable du réacteur en régime continu, et - concevoir des réacteurs de tailles réduites à quantités égales de réactifs qui sont introduites dans ceux-ci. Les configurations proposées varient notamment par la géométrie d’électrodes qui sont utilisées pour générer le plasma, et par la nature du plasma qui est généré ainsi. Notamment, les configurations suivantes ont été proposées pour produire des plasmas dans les réacteurs chimiques : décharges à barrières diélectriques, décharges luminescentes, décharges couronnes, décharges radiofréquence, décharges à micro-ondes, décharges à arcs glissants ou tournants, etc. Par exemple, le document EP 1 541 821 A1 décrit un réacteur à décharge avec barrière diélectrique et à configuration d’électrodes de type fil-cylindre. Dans ce réacteur de EP 1 541 821 A1, l’électrode en forme de fil est en contact avec le flux gazeux qui contient les réactifs, et est parallèle à la direction d’écoulement de ce flux. Des impulsions de tension positives sont appliquées à l’électrode filaire par rapport à une électrode cylindrique externe pour générer le plasma. Mais à cause d’une accumulation de charges électriques qui apparaît sur la surface du matériau diélectrique qui est en contact avec le gaz, le plasma ne se forme que sur une longueur limitée entre l’électrode filaire et la barrière diélectrique, mesurée parallèlement à l’électrode filaire. Pour cette raison, la durée de contact entre les réactifs et le plasma est faible, et le taux de conversion des réactifs est limité en conséquence. La même limitation intervient pour des configurations de réacteurs qui mettent en œuvre des plasmas sous forme de nappes, et dans lesquels le flux gazeux qui contient les réactifs traverse la nappe de plasma sensiblement perpendiculairement à celle-ci. Problème technique A partir de cette situation, un but de la présente invention est de proposer un nouveau type de réacteurs chimiques à plasmas pour lequel les inconvénients précités des réacteurs antérieurs sont réduits ou supprimés. En particulier, l’invention a pour but de fournir un réacteur chimique à plasma dont le fonctionnement est stable, et qui permet d’obtenir des taux de conversion supérieurs pour les réactions chimiques qui y sont mises en œuvre Pour atteindre ce but ou un autre, un premier aspect de l’invention propose un réacteur à plasma pour activer une réaction chimique en phase gazeuse, qui comprend : - au moins une conduite tubulaire en matériau diélectrique, qui possède un axe central et est agencée pour guider un flux gazeux contenant un ou des réactif(s) à partir d’une extrémité d’entrée jusqu’à une extrémité de sortie de cette conduite tubulaire, et pour chaque conduite tubulaire : /i/ une électrode interne, qui est disposée dans la conduite tubulaire avec un intervalle radial de séparation entre cette électrode interne et la conduite tubulaire ; et /ii/ une électrode externe, qui est disposée à l’extérieur de la conduite tubulaire, et agencée pour produire un potentiel électrique qui est sensiblement uniforme dans un segment longitudinal d’une surface externe de la conduite tubulaire, un volume interne à la conduite tubulaire qui est superposé à ce segment longitudinal dans une projection orthogonale sur l’axe central étant appelée zone active du réacteur. Ce réacteur comprend en outre : - une source électrique, qui est connectée entre l’électrode interne et l’électrode externe de chaque conduite tubulaire. Le réacteur à plasma de l’invention est donc du type à barrière diélectrique. Selon une première caractéristique du réacteur de l’invention, désignée par /iii/, l’électrode interne est disposée dans chaque conduite tubulaire à proximité d’une limite de la zone active, appelée limite amont de la zone active, qui est orientée vers l’une de l’extrémité d’entrée et de l’extrémité de sortie. En outre, l’électrode interne possède une forme de pointe dirigée vers l’autre de l’extrémité d’entrée et de l’extrémité de sortie, et s’étend parallèlement à l’axe central en direction de cette dernière extrémité sans dépasser 10% d’une longueur de la zone active, selon une mesure effectuée parallèlement à l’axe central à partir de la limite amont de cette zone active jusqu’à la pointe de l’électrode interne. Grâce à une telle configuration des électrodes, de type pointe-cylindre, la décharge électrique qui est produite dans le flux gazeux possède une configuration de décharge propagative, à partir de la pointe de l’électrode interne et s’étendant longitudinalement à l’intérieur de la zone active. Une telle décharge propagative est composée d’une tête d’ionisation constituée de plusieurs filaments, ou «streamers» en anglais, et d’un canal ionisé couramment appelé «leader», aussi en anglais. La longueur de la zone de plasma peut ainsi être grande, permettant que le flux gazeux soit en contact avec le plasma à l’intérieur de tout un volume tri-dimensionnel. L’énergie d’activation est alors transmise aux réactifs pendant toute une durée de traversée de ce volume tri-dimensionnel de plasma par le flux gazeux. Grâce au fait que l’invention procure un tel volume de plasma qui est important, cette durée est plus longue à vitesse d’écoulement égale du flux gazeux, permettant d’obtenir des taux de conversion supérieurs. La valeur limite de 10% pour le dépassement de l’électrode interne dans la zone active assure que chaque décharge électrique qui est produite par une impulsion de tension appliquée entre l’électrode interne et l’électrode externe ait une structure propagative longitudinalement à l’intérieur de la conduite tubulaire, sans composante radiale significative au niveau de l’électrode interne. De préférence, le dépassement de l’électrode interne dans la zone active, à partir de la limite amont de cette dernière, peut être inférieur à 5% de la longueur de la zone active. Dans la présente description, les extrémités d’entrée et de sortie de la conduite tubulaire sont désignées ainsi par rapport à un sens d’écoulement du flux gazeux dans cette conduite tubulaire. Par ailleurs, la limite amont de la zone active est désignée ainsi par rapport à la position de l’électrode interne, et par suite par rapport à l’extension longitudinale de la décharge propagative à l’intérieur de la conduite tubulaire. Toutefois, dans des variantes de réalisation de l’invention, la limite amont de la zone active peut être orientée alternativement vers l’extrémité d’entrée ou vers l’extrémité de sortie de la conduite tubulaire, c’est-à-dire être alternativement plus proche de l’une ou de l’autre. Autrement dit, la direction d’extension de la décharge propagative à partir de l’électrode interne en forme de pointe, parallèlement à l’axe central dans la conduite tubulaire, peut être dans le même sens ou en sens contraire par rapport au sens d’écoulement du flux gazeux dans la conduite tubulaire. Selon une deuxième caractéristique du réacteur de l’invention, désignée par /iv/, un diamètre interne de la conduite tubulaire dans la zone active du réacteur est compris entre 0,05 mm (millimètre) et 10 mm. Cet intervalle constitue un compromis entre d’une part la capacité de chaque conduite tubulaire à guider le flux gazeux avec un débit suffisant et une perte de charge limitée, et d’autre part l’obtention d’un plasma qui occupe sensiblement toute la section transversale interne de la conduite tubulaire. Enfin, selon une troisième caractéristique du réacteur de l’invention, la source électrique est adaptée pour, pendant un fonctionnement du réacteur, délivrer des impulsions de tension qui sont alternativement positives et négatives, avec une valeur absolue maximale de tension électrique pour chaque impulsion qui est adaptée pour produire une décharge électrique dans le flux gazeux, à l’intérieur de la zone active du réacteur, conformément à une convention de signe de tension qui correspond à un potentiel électrique de l’électrode interne auquel est soustrait un potentiel électrique de l’électrode externe. Grâce à l’alternance entre les impulsions positives et celles négatives, des charges électriques qui pourraient s’accumuler sur la surface interne de chaque conduite tubulaire en matériau diélectrique, peuvent être neutralisées. Le réacteur à plasma peut ainsi posséder un fonctionnement continu qui est stable, avec une extension importante de chaque décharge propagative dans la zone active du réacteur, parallèlement à l’axe central. Le plasma dans chaque conduite tubulaire peut alors occuper un segment de longueur la zone active qui est important, en même temps qu’il occupe toute ou presque toute la section transversale de la conduite tubulaire dans ce segment de longueur. Autrement dit, le réacteur de l’invention permet un contact volumique, ou tri-dimensionnel, et stable entre le plasma et le flux gazeux qui contient les réactifs. Des valeurs de taux de conversion améliorées peuvent ainsi être obtenues. De préférence, la source électrique est adaptée pour que chaque impulsion électrique positive ou négative qui est délivrée par la source électrique puisse être ajustée afin de neutraliser des charges électriques qui resteraient sur le matériau diélectrique après l’impulsion électrique précédente, ou d’inverser un signe des charges électriques qui restent sur le matériau diélectrique d’une impulsion à la suivante, pendant l’utilisation du réacteur à plasma. Un blindage électrique susceptible d’apparaître sur la surface interne de la conduite tubulaire, et de limiter longitudinalement le volume de plasma, peut ainsi être évité. Possiblement, le réacteur peut comprendre en outre un catalyseur qui est disposé à l’intérieur de la conduite tubulaire. Le réacteur peut ainsi être du type IPC, pour «In-Plasma catalyst» en anglais, si la tension électrique des impulsions positives est suffisante pour que la décharge propagative atteigne le catalyseur. Dans des modes préférés de réalisation de l’invention, l’une au moins des caractéristiques additionnelles suivantes peut être reproduite optionnellement, seule ou en combinaison de plusieurs d’entre elles : - chaque impulsion électrique qui est délivrée par la source électrique pendant le fonctionnement du réacteur, peut avoir une valeur-crête de tension qui est comprise entre 1 kV (kilovolt) et 100 kV, de préférence entre 10 kV et 40 kV, en valeur absolue ; - la source électrique peut être adaptée pour produire les impulsions de tension selon une fréquence qui est comprise entre 1 Hz (hertz) et 100 kHz, pendant le fonctionnement du réacteur ; - une longueur de l’électrode interne à l’intérieur de la zone active peut être inférieure à 2 mm (millimètre), mesurée parallèlement à l’axe central entre la limite amont de cette zone active et la pointe de l’électrode interne ; - l’électrode interne peut être constituée par un segment de fil métallique, par exemple d’un fil de tungstène ou d’acier, avec un diamètre de fil qui est compris entre 50 µm (micromètre) et 400 µm ; - la longueur de la zone active peut être comprise entre 1 mm et 500 mm, préférentiellement comprise entre 50 mm et 200 mm, mesurée parallèlement à l’axe central ; - une épaisseur de la conduite tubulaire dans la zone active peut être comprise entre 50 µm et 500 µm, mesurée perpendiculairement à l’axe central. Un tel intervalle d’épaisseur pour le matériau diélectrique de la conduite tubulaire permet d’éviter que chaque impulsion de tension qui est délivrée par la source électrique ait une valeur de tension-crête qui soit très élevée pour que les décharges se produisent dans le flux gazeux ; - l’électrode externe peut posséder l’une des formes suivantes dans la zone active : un fil de matériau conducteur électrique qui est enroulé autour de la conduite tubulaire, un fourreau de matériau conducteur électrique qui entoure la conduite tubulaire en étant en contact avec la surface externe de cette conduite tubulaire, une ou plusieurs surface(s) métallique(s) plane(s) qui est (sont) en contact avec la surface externe de la conduite tubulaire ; et - le matériau diélectrique de la conduite tubulaire dans la zone active peut être du quartz, un verre ou une céramique. Dans des modes de réalisation de l’invention qui admettent en entrée des débits gazeux totaux plus importants, le réacteur peut comprendre plusieurs conduites tubulaires qui sont disposées en parallèle pour guider simultanément des flux gazeux respectifs contenant chacun le ou les réactif(s). Chaque conduite tubulaire est alors pourvue d’une électrode interne respective et d’une électrode externe respective, ou d’une portion respective d’une électrode externe qui est commune à plusieurs des conduites tubulaires, chaque conduite tubulaire avec l’électrode interne et l’électrode externe ou portion d’électrode externe correspondantes satisfaisant les caractéristiques /i/ à /iv/ mentionnées plus haut. En outre, la source électrique est connectée entre d’une part toutes les électrodes internes, et d’autre part toutes les électrodes externes ou l’électrode externe commune. Le nombre des conduites tubulaires dans le réacteur peut ainsi être compris entre 3 et 400. Un second aspect de l’invention propose un procédé de réalisation d’une réaction chimique en phase gazeuse, mis en œuvre en utilisant un réacteur qui est conforme au premier aspect de l’invention, pour activer la réaction chimique. Celle-ci peut notamment être l’une des suivantes : - une décomposition de dioxyde de carbone en monoxyde de carbone et dioxygène ; - une réaction entre du dioxyde de carbone et de l’hydrogène pour produire du méthane et de l’eau ; - une réaction de production de dihydrogène et de carbone à l’état solide, le flux gazeux comprenant pour cela au moins du méthane, pur ou avec au moins un gaz additif ; et - une réaction produisant du dihydrogène, le flux gazeux comprenant pour cela au moins de l’ammoniac, pur ou avec un ou plusieurs gaz additif(s). Avantageusement, une valeur-crête de tension de chaque impulsion peut être ajustée pour que, pendant l’utilisation du réacteur à plasma, cette impulsion neutralise des charges électriques qui resteraient sur la surface intérieure de chaque conduite tubulaire après l’impulsion précédente, ou bien inverse un signe de charges électriques qui restent sur cette surface intérieure de conduite tubulaire après l’impulsion par rapport à l’impulsion précédente. Brève description des figures Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non-limitatifs, en référence aux figures annexées parmi lesquelles : est une vue en coupe longitudinale d’un module élémentaire de réacteur à plasma conforme à l’invention ; et est une vue en perspective qui montre plusieurs modules élémentaires conformes à , assemblés au sein d’un réacteur à plasma conforme à l’invention. Réacteur à plasma (1) de type à barrière diélectrique, pour activer une réaction chimique en phase gazeuse, comprenant : - au moins une conduite tubulaire (11) en matériau diélectrique, qui possède un axe central (A-A) et est agencée pour guider un flux gazeux (F) contenant un ou des réactif(s) à partir d’une extrémité d’entrée (11e) jusqu’à une extrémité de sortie (11s) de ladite conduite tubulaire, et pour chaque conduite tubulaire (11) : /i/ une électrode interne (13), qui est disposée dans la conduite tubulaire (11) avec un intervalle radial de séparation entre ladite électrode interne et ladite conduite tubulaire ; et /ii/ une électrode externe (12), qui est disposée à l’extérieur de la conduite tubulaire (11), et agencée pour produire un potentiel électrique qui est uniforme dans un segment longitudinal d’une surface externe de la conduite tubulaire, un volume interne à la conduite tubulaire qui est superposé audit segment longitudinal dans une projection orthogonale sur l’axe central (A-A) étant appelée zone active (10a) du réacteur (1), le réacteur (1) comprenant en outre : - une source électrique (4), qui est connectée entre l’électrode interne (13) et l’électrode externe (12) de chaque conduite tubulaire (11), et étant caractérisé en ce que, pour chaque conduite tubulaire (11) : /iii/ l’électrode interne (13) est disposée dans la conduite tubulaire (11) à proximité d’une limite de la zone active (10a), appelée limite amont (10am) de la zone active, orientée vers l’une de l’extrémité d’entrée (11e) et de l’extrémité de sortie (11s), ladite électrode interne possédant une forme de pointe dirigée vers l’autre de l’extrémité d’entrée et de l’extrémité de sortie, et s’étendant parallèlement à l’axe central (A-A) en direction de ladite autre de l’extrémité d’entrée et de l’extrémité de sortie sans dépasser 10% d’une longueur (L a ) de la zone active, selon une mesure effectuée parallèlement audit axe central à partir de la limite amont de la zone active jusqu’à la pointe de l’électrode interne ; et /iv/ un diamètre interne (D int ) de la conduite tubulaire (11) dans la zone active (10a) est compris entre 0,05 mm et 10 mm, et en ce que la source électrique (4) est adaptée pour, pendant un fonctionnement du réacteur (1), délivrer des impulsions de tension qui sont alternativement positives et négatives, avec une valeur absolue maximale de tension électrique (U) pour chaque impulsion qui est adaptée pour produire une décharge électrique dans le flux gazeux (F), à l’intérieur de la zone active (10a), conformément à une convention de signe de tension qui correspond à un potentiel électrique de l’électrode interne (13) auquel est soustrait un potentiel électrique de l’électrode externe (12). Réacteur (1) selon la revendication 1, comprenant en outre un catalyseur (14) qui est disposé à l’intérieur de la conduite tubulaire (11). Réacteur (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la source électrique (4) est adaptée pour produire les impulsions de tension (U) selon une fréquence qui est comprise entre 1 Hz et 100 kHz, pendant le fonctionnement du réacteur. Réacteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une longueur de l’électrode interne (13) à l’intérieur de la zone active (10a) est inférieure à 2 mm, mesurée parallèlement à l’axe central (A-A) entre la limite amont (10am) de ladite zone active et la pointe de l’électrode interne. Réacteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’électrode interne (13) est constituée par un segment de fil métallique, par exemple d’un fil de tungstène ou d’acier, avec un diamètre de fil qui est compris entre 50 µm et 400 µm. Réacteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la longueur (L a ) de la zone active (10a) est comprise entre 1 mm et 500 mm, préférentiellement comprise entre 50 mm et 200 mm, mesurée parallèlement à l’axe central (A-A). Réacteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une épaisseur de la conduite tubulaire (11) dans la zone active (10a) est comprise entre 50 µm et 500 µm, mesurée perpendiculairement à l’axe central (A-A). Réacteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’électrode externe (12) possède l’une des formes suivantes dans la zone active (10a) : un fil de matériau conducteur électrique qui est enroulé autour de la conduite tubulaire (11), un fourreau de matériau conducteur électrique qui entoure la conduite tubulaire en étant en contact avec la surface externe de ladite conduite tubulaire, une ou plusieurs surface(s) métallique(s) plane(s) qui est (sont) en contact avec la surface externe de la conduite tubulaire. Réacteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant plusieurs conduites tubulaires (11) qui sont disposées en parallèle pour guider simultanément des flux gazeux (F) respectifs contenant chacun le ou les réactif(s), chaque conduite tubulaire étant pourvue d’une électrode interne (13) respective et d’une électrode externe (12) respective, ou d’une portion respective d’une électrode externe qui est commune à plusieurs des conduites tubulaires, chaque conduite tubulaire avec l’électrode interne et l’électrode externe ou portion d’électrode externe correspondantes satisfaisant les caractéristiques /i/ à /iv/, et la source électrique (4) étant connectée entre d’une part toutes les électrodes internes, et d’autre part toutes les électrodes externes ou l’électrode externe commune, et dans lequel un nombre des conduites tubulaires (11) dans le réacteur (1) est compris entre 3 et 400. Procédé de réalisation d’une réaction chimique en phase gazeuse, mis en œuvre en utilisant un réacteur (1) qui est conforme à l’une quelconque des revendications précédentes, pour activer ladite réaction chimique. Procédé selon la revendication 10, dans lequel la réaction chimique est sélectionnée parmi : - une décomposition de dioxyde de carbone en monoxyde de carbone et dioxygène ; - une réaction entre du dioxyde de carbone et de l’hydrogène pour produire du méthane et de l’eau ; - une réaction de production de dihydrogène et de carbone à l’état solide, le flux gazeux comprenant au moins du méthane ; et - une réaction produisant du dihydrogène, le flux gazeux comprenant au moins de l’ammoniac.