FR2811589A1 - Device for conducting catalytic reaction on solid with at least one reactant in liquid state under normal conditions - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un dispositif pour effectuer une réaction àThe present invention relates to a device for carrying out a reaction to
catalyse sur solide, pour lequel au moins un éduit se présente à l'état liquide dans des conditions normales, comprenant une unité de catalyse, comprenant une unité d'évaporation et une unité de réaction4- placées ensemble en liaison conductrice de la catalysis on solid, for which at least one educt is present in the liquid state under normal conditions, comprising a catalysis unit, comprising an evaporation unit and a reaction unit 4 - placed together in conductive bond of the
chaleur du solide.heat of the solid.
Les réactions à catalyse sur solide ont actuellement une importance toujours plus grande dans les domaines les plus différents qui soient, par exemple, dans le domaine des cellules à combustible, la génération d'hydrogène à partir d'hydrocarbures, parmi lesquels classiquement tombent dans ce domaine également les alcools, les aldéhydes, les cétones et analogues, et l'eau, comprenant 1-5 le reformage des hydrocarbures (Ullmann's Encyklopâdie der technischen Chemie, Band 12, pages 113 à 116, Verlag Chemie, Weinheim 1976). On convertit alors un mélange constitué d'hydrocarbures, en particulier de méthanol et d'eau, à la surface d'un catalyseur solide correspondant Solid-state catalysis reactions are currently of increasing importance in the most different fields, for example in the field of fuel cells, the generation of hydrogen from hydrocarbons, among which conventionally fall into this category. also in the field of alcohols, aldehydes, ketones and the like, and water, comprising 1-5 the reforming of hydrocarbons (Ullmann's Encyklopâdie der technischen Chemie, Band 12, pages 113 to 116, Verlag Chemie, Weinheim 1976). A mixture consisting of hydrocarbons, in particular methanol and water, is then converted on the surface of a corresponding solid catalyst.
qui, le plus souvent, contient du cuivre. which most often contains copper.
D'autres exemples sont la conversion du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone par une réaction avec de l'hydrogène, dans ce que l'on appelle la "réaction shift de l'hydrogène", l'oxydation du monoxyde de carbone, lors de laquelle un gaz, contenant du CO, est mis en réaction avec un gaz contenant de l'oxygène sur un catalyseur, ainsi que la combustion (oxydation) d'un éduit combustible avec addition d'un gaz contenant del'oxygène, dans ce que l'on Other examples are the conversion of carbon monoxide to carbon dioxide by a reaction with hydrogen, in what is called the "hydrogen shift reaction", the oxidation of carbon monoxide, during from which a gas, containing CO, is reacted with a gas containing oxygen on a catalyst, as well as the combustion (oxidation) of a combustible educt with the addition of a gas containing oxygen, in this that one
appelle un "brûleur catalytique"'.calls a "catalytic burner".
Les cellules à combustible mentionnées ci-dessus sont de plus en plus utilisées également dans des véhicules automobile et obtiennent l'hydrogène nécessaire à la combustion depuis l'hydrocarbure embarqué sous forme The fuel cells mentioned above are increasingly used also in motor vehicles and obtain the hydrogen necessary for combustion from the on-board hydrocarbon in the form
liquide, sachant qu'on utilise en particulier du méthanol. liquid, knowing that methanol is used in particular.
Cette réaction, dans la pratique, est conduite de manière qu'un mélange, contenant de la vapeur d'eau et de l'hydrocarbure, soit mis en contact, avec apport de chaleur à une température appropriée, avec un catalyseur approprié afin de générer l'hydrogène, dans un déroulement de This reaction, in practice, is carried out so that a mixture, containing water vapor and hydrocarbon, is brought into contact, with the addition of heat at an appropriate temperature, with an appropriate catalyst in order to generate hydrogen, in a process of
réactions se faisant le plus souvent en plusieurs étapes. reactions usually taking place in several stages.
Il faut alors soit fournir des éduits liquides sous forme extrêmement finement pulvérisée à la surface du catalyseur, oitr il faut qu'ils se présentent- au- moins !0 partiellement sous phase vapeur avant de venir en contact avec la surface du catalyseur. La dernière variante peut Liquid educts must then either be supplied in extremely finely sprayed form to the surface of the catalyst, or they must at least partially present themselves in the vapor phase before coming into contact with the surface of the catalyst. The last variant can
alors être réalisée en utilisant différents dispositifs. then be performed using different devices.
Par le DE 44 26 692 CI, on connaît ce que l'on appelle un réacteur de reformage, pour lequel un dispositif évaporateur est installé de façon spatialement séparé en amont de la couche catalytiquement efficace, le transfert thermique, de l'élévateur à la couche catalytiquement efficace, se faisant par un milieu caloporteur fluide. La structure est cependant complexe, en particulier du fait de By DE 44 26 692 CI, we know what is called a reforming reactor, for which an evaporator device is installed spatially separate upstream of the catalytically effective layer, heat transfer, from the elevator to the catalytically effective layer, made by a fluid heat transfer medium. The structure is however complex, in particular due to
l'utilisation d'un milieu caloporteur supplémentaire. the use of an additional heat transfer medium.
En outre, dans le DE 197 20 294 Cl et la demande de brevet non prépubliée DE 199 0G 672.8 est décrit un réacteur de reformage avec un couplage amont entre l'évaporateur et la zone de réaction. L'évaporateur est alors constitué d'une structure conductrice de la chaleur, poreuse, qui est limitrophe en surface à la zone de réaction, c'est-à-dire à la couche catalytiquement efficace, et qui est reliée rigidement à celle-ci. Ceci peut s'effectuer par un frittage commun de la structure d'évaporateur avec la couche catalytiquement efficace, de sorte que le couplage, ainsi établi dans la zone de Furthermore, in DE 197 20 294 Cl and the non-prepublished patent application DE 199 0G 672.8 is described a reforming reactor with an upstream coupling between the evaporator and the reaction zone. The evaporator then consists of a porous heat conducting structure which is bordered on the surface to the reaction zone, that is to say to the catalytically effective layer, and which is rigidly connected thereto. . This can be done by a common sintering of the evaporator structure with the catalytically effective layer, so that the coupling, thus established in the zone of
réaction avec l'évaporateur, est réalisé d'une seule pièce. reaction with the evaporator, is carried out in one piece.
Le transfert de chaleur se fait alors par une conduite de The heat transfer then takes place via a
chaleur de solide.solid heat.
Les systèmes de réacteur évoqués ci-dessus, utilisant une liaison ou un couplage rigide entre l'évaporateur et la zone de réaction, présentent cependant l'inconvénient que la chaleur, qui se dégage pendant l'évaporation, du fait du gradient thermique s'établissant entre l'évaporateur et la zone de réaction, provoque des contraintes mécaniques, induites de façon thermique, que l'on appelle en abrégé des "contraintes thermiques", dans la zone de réaction. Ceci mène souvent à des ruptures et à des gauchissements de la structure physique de la zone de réaction, mais également sur la structure de l'évaporateur qui peut même, The reactor systems mentioned above, using a rigid connection or coupling between the evaporator and the reaction zone, however have the disadvantage that the heat, which is released during evaporation, due to the thermal gradient establishing between the evaporator and the reaction zone, causes mechanical stresses, thermally induced, which for short is called "thermal stresses", in the reaction zone. This often leads to ruptures and warping of the physical structure of the reaction zone, but also on the structure of the evaporator which can even
partiellement, se fragmenter.partially fragment.
En partant de cela, l'invention a comme but de crier un couplage entre l'évaporateur et la zone de réaction, couplage évitant les inconvénients cites ci-dessus de l'état de la technique et s'avérant insensible envers les Starting from this, the invention aims to shout a coupling between the evaporator and the reaction zone, coupling avoiding the drawbacks mentioned above of the prior art and proving insensitive to the
contraintes thermiques.thermal constraints.
Ce problème est résolu par un dispositif de mise en oeuvre d'une réaction à catalyse sur solide caractérisé par le fait que l'unité d'évaporation est mobile par rapport à l'unité de réaction Du fait de l'agencement mobile de l'unité d'évaporation par rapport à l'unité de réaction, il y a transfert et évacuation des contraintes thermiques en une énergie de translation, de sorte que les structures des deux unités restent non influencées par cela et n'en subissent de ce fait aucun endommagement, par exemple This problem is solved by a device for carrying out a catalysis reaction on solid, characterized in that the evaporation unit is movable relative to the reaction unit Due to the mobile arrangement of the unit of evaporation compared to the unit of reaction, there is transfer and evacuation of the thermal stresses in a translational energy, so that the structures of the two units remain not influenced by that and undergo therefore no damage, for example
fissurations, gauchissements et ablations. cracks, warping and ablations.
On entend par le concept "mobile" à ce sujet tout agencement qui permet à l'unité d'évaporation, en cas de présence ou de gradients de température entre l'unité d'évaporation et l'unité de réaction, d'effectuer des déplacements en translation par rapport à l'unité de réaction, qui produisent un -transfert des contraintes techniques en de l'énergie cinétique. Ceci peut, par exemple, être obtenu par le fait que l'on choisit comme unité d'évaporation un matelas de fibre métallique, qui est fixé de façon mobile sur l'unité de réaction, en utilisant des moyens appropriés. De même, l'unité d'évaporation peut également être réalisée en céramique frittée ou en métal fritté, qui est alors fixé, mécaniquement ou par pressage, The concept "mobile" in this regard means any arrangement which allows the evaporation unit, in the presence or temperature gradients between the evaporation unit and the reaction unit, to carry out translational displacements with respect to the reaction unit, which produce a transfer of technical constraints into kinetic energy. This can, for example, be obtained by the fact that a mattress of metallic fiber is chosen as the evaporation unit, which is fixed movably on the reaction unit, using suitable means. Similarly, the evaporation unit can also be made of sintered ceramic or sintered metal, which is then fixed, mechanically or by pressing,
sur l'unité de réaction.on the reaction unit.
L'agencement de la zone d'vaporation en une zone de réaction peut être fait selon un choix libre, tant que l'on a une liaison qui conduise la chaleur des corps solides, c'est-à-dire que la zone d'évaporation peut être disposée de manière correspondante au DE 197 20 294 CI, au-dessus ou The arrangement of the evaporation zone into a reaction zone can be made according to a free choice, as long as there is a connection which conducts the heat of the solid bodies, that is to say that the zone of evaporation can be arranged in accordance with DE 197 20 294 CI, above or
à côte de la zone de réaction.next to the reaction zone.
Avantageuaement, l'unité d'évaporation est poreuse, Se sorte que les éduits peuvent arriver de façon contrôlée sur l'unité de réaction. Selon la taille des pores et l'éventuelle sollicitation par la pression, la quantité des éduits qui arrivent à l'unité de réactions peut être dosée, Advantageously, the evaporation unit is porous, so that the educts can arrive in a controlled manner on the reaction unit. Depending on the size of the pores and any pressure applied, the quantity of educts arriving at the reaction unit can be measured,
de sorte que la réaction peut être optimisée. so that the reaction can be optimized.
Naturellement, l'utilisation d'un matelas métallique, par exemple en acier spécial, ou bien en alliage approprié, est envisageable, cependant la largeur, souvent trop grande, Naturally, the use of a metallic mattress, for example of special steel, or else of an appropriate alloy, is conceivable, however the width, often too large,
des mailles doit être prise en considération. mesh should be taken into consideration.
Selon un mode de réalisation préférée, l'unité d'évaporation est disposée sur l'ensemble de la surface de l'unité de réaction. On assure de ce fait un chauffage régulier de l'unité de réaction. Ceci est avantageux en plus si le mélange de réaction est refoulé dans l'unité d'évaporation et l'unité de réaction qui, souvent, est According to a preferred embodiment, the evaporation unit is arranged over the entire surface of the reaction unit. This ensures regular heating of the reaction unit. This is further advantageous if the reaction mixture is discharged into the evaporation unit and the reaction unit which is often
également poreuse.also porous.
Il est cependant également avantageux de disposer l'unité d'évaporation sur une zone partielle de la surface de l'unité de réaction. Ceci est préféré en particulier lorsque les éduits de réaction ne sont pas refoulés, comme dans quelques cas, à travers l'unité d'évaporation et de réaction, mais qu'ils sont ajoutés de façon dosée, à l'aide de dispositifs mécaniques, uniquement en une zone de l'unité de réaction qui est couverte par l'unité d'évaporation. Ceci dépend cependant du choix du réacteur et de la réaction catalytique. Par exemple, il est également envisageable que ce que l'on appelle un réacteur à empilage, de structure modulaire, soit constitué de plusieurs unités catalytiques disposées les unes à la suite des autres et les unes au-dessus des autres, unités qui présentent des unités de réaction alternées de façon régulière ou irrégulière, sur la surface desquelles est disposée au moins partiellement une unité d'évaporation. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif selon l'invention, il est prévu d'avoir plusieurs unités de catalyse empilées les unes au-dessus des autres, unités dont la f-orme peut être choisie librement. Chaque unité de catalyse présente au moins une traversée, les traversées respectives étant en alignement pour former un canal d'entrée pour l'apport du mélange d'eduit et, entre les différentes couches, étant réalisés des canaux de distribution qui se ramifient depuis le canal d'entrée. Le mélange de réaction est à présent guidé sur la surface des unités d'évaporation, sachant que la chaleur d'évaporation nécessaire est produite par une réaction exothermique du liquide ou, le cas échéant, par un apport d'un combustible supplémentaire, par exemple de l'oxygène. Le mélange de réaction réagit à présent sur l'unité de réaction et les contraintes thermiques qui se produisent le cas échéant, par exemple en cas d'apport rapide du mélange de réaction, sont évacuées en étant converties an énergie de translation, grâce à l'unité d'évaporation mobile par rapport à l'unité de réaction, de sorte que l'on peut faire fonctionner également plus longtemps des réacteurs à empilement de construction coûteuse, sans risquer d'endommagement par les contraintes thermiques Evidemment, également, on peut envisager d'autres concepts, en particulier de réacteurs à empilement à structure modulaire, pour lesquels l'invention peut être réalisée, Un dispositif selon l'invention est utilisé pour des réactions catalytiques pour lesquelles au moins un éduit de réaction se présente sous forme liquide qui, avant que se déroula la réaction catalytique sur solide qui, le plus souvent, est exothermique, doit être transféré en un réacteur, à l'état de vapeur ou gazeux. Un exemple préféré est l'obtention d'hydrogène depuis un mélange constitué However, it is also advantageous to have the evaporation unit on a partial area of the surface of the reaction unit. This is particularly preferred when the reaction products are not discharged, as in some cases, through the evaporation and reaction unit, but are added in a metered manner, using mechanical devices, only in an area of the reaction unit which is covered by the evaporation unit. This however depends on the choice of reactor and the catalytic reaction. For example, it is also conceivable that what is called a stacking reactor, of modular structure, is made up of several catalytic units arranged one after the other and one above the other, units which have reaction units alternated regularly or irregularly, on the surface of which is at least partially arranged an evaporation unit. According to a preferred embodiment of the device according to the invention, provision is made for having several catalysis units stacked one above the other, units the form of which can be freely chosen. Each catalysis unit has at least one crossing, the respective crossings being in alignment to form an inlet channel for the supply of the educt mixture and, between the different layers, being made distribution channels which branch out from the input channel. The reaction mixture is now guided on the surface of the evaporation units, knowing that the necessary heat of evaporation is produced by an exothermic reaction of the liquid or, if necessary, by the supply of an additional fuel, for example oxygen. The reaction mixture now reacts on the reaction unit and the thermal stresses which occur if necessary, for example in the case of rapid addition of the reaction mixture, are evacuated by being converted into translational energy, thanks to the mobile evaporation unit with respect to the reaction unit, so that stacked reactors of expensive construction can also be operated for a longer period of time, without risking damage by thermal stresses Obviously, too, it is possible to consider other concepts, in particular stack reactors with modular structure, for which the invention can be implemented, A device according to the invention is used for catalytic reactions for which at least one reaction product is in liquid form which, before the catalytic reaction takes place on a solid which, more often than not, is exothermic, must be transferred to a reactor. r, in vapor or gaseous state. A preferred example is the obtaining of hydrogen from a mixture constituted
d'un hydrocarbure, tel que défini au début, et d'eau. a hydrocarbon, as defined at the beginning, and water.
D'autres avantages et modes de réalisation de Other advantages and embodiments of
l'invention résultent de la description et du dessin the invention results from the description and the drawing
annexé.Annex.
Il est évident que les caractéristiques citées ci- It is obvious that the characteristics mentioned above
dessus et celles allant être explicitées encore ci-après sont utilisables non seulement dans la combinaison chaque fois indiquée mais également en d'autres combinaisons ou bien de façon solitaire, sans quitter le cadre de la above and those which will be explained further below can be used not only in the combination each time indicated but also in other combinations or else alone, without leaving the framework of the
présente invention.present invention.
L'invention va être représentée schématiquement à l'aide d'un exemple de réalisation dans le dessin et va The invention will be represented schematically using an embodiment in the drawing and will
être décrite de façon détaillée en se référant aux dessins. be described in detail with reference to the drawings.
la figure 1 représente une coupe de dispositif selon l'invention. la figure 2 représente un autre dispositif selon l'invention. Sur la figure 1 est représentée une unité de catalyse 1 qui est constituée d'une unité d'évaporation 2 et d'une unité de réaction 3. L'unité d'évaporation 2 est alors disposée sur la surface commune de l'unité de réaction 3, de façon mobile avec effet de conduction de la chaleur du solide par rapport à celle-ci. L'unité de catalyse 1 représente en outre au moins une traversée (non représentée dans le dessin) La surface de l'unité de catalyse peut être structures librement, par exemple sous la forme de bossages en méandre pour augmenter l'aire de la surface réactive, tant pour le processus d'évaporation que pour le processus de réaction Dans le cas présent, il s'agit cependant, par souci de Figure 1 shows a device section according to the invention. FIG. 2 represents another device according to the invention. FIG. 1 shows a catalysis unit 1 which consists of an evaporation unit 2 and a reaction unit 3. The evaporation unit 2 is then placed on the common surface of the reaction 3, in a mobile manner with the heat conduction effect of the solid with respect thereto. The catalysis unit 1 also represents at least one crossing (not shown in the drawing) The surface of the catalysis unit can be freely structured, for example in the form of meander bosses to increase the surface area reactive, both for the evaporation process and for the reaction process In the present case, however, for the sake of
simplicité, d'une surface pratiquemnent plane. simplicity, with a practically flat surface.
L'unité d'évaporation 2 comprend un corps poreux, conducteur de la chaleur, ayant une surface mouillable de grande aire gui, le cas échéant, peut être balayée par le passage d'un agent d'oxydation gazeux, par exemple de l'air ou de l'oxygène. L'unité de réaction 3 est constituée d'un corps perméable aux gaz contenant un matériau catalytiquement actif, poreux, de préférence fritté. Dans une autre forme de réalisation, l'unité de réaction 3 est formée sur sa face intérieure, grâce à des dispositions appropriées, également de façon à être imperméable au gaz, L'unité d'évaporation 2 est soit pressée sur l'unité de réaction 3, sachant que la pression de pressage est choisie telle que, lors de la survenance des contraintes thermiques, l'unité d'évaporation 2 peut se déplacer par rapport à l'unité de réaction 3 qui est fixée rigidement, soit est disposée de façon mobile avec conduction de la chaleur du solide, grâce à des moyens mécaniques appropriés, par exemple des cadres, rainures, pinces et The evaporation unit 2 comprises a porous body, conductive of heat, having a wettable surface of large area which, if necessary, can be swept by the passage of a gaseous oxidizing agent, for example air or oxygen. The reaction unit 3 consists of a gas permeable body containing a catalytically active, porous material, preferably sintered. In another embodiment, the reaction unit 3 is formed on its inner face, by means of suitable arrangements, also so as to be impermeable to gas, The evaporation unit 2 is either pressed on the reaction 3, knowing that the pressing pressure is chosen such that, upon the occurrence of thermal stresses, the evaporation unit 2 can move relative to the reaction unit 3 which is rigidly fixed, or is disposed of mobile way with heat conduction of the solid, thanks to suitable mechanical means, for example frames, grooves, clamps and
analogues, sur l'unité de réaction 3. analogues, on the reaction unit 3.
Le liquide à évaporer est amené à la surface de l'unité de réaction 2 dans le sens des flèches représentées sur la figure. L'energie d'évaporation nécessaire est fournie par une réaction exothermique d'un carburant avec l'agent d'oxydation ayant pénétré par diffusion dans l'unité d'évaporation 2 et l'unité de réaction 3, sur le matériau catalyseur. Le carburant, pour lequel il peut s'agir également du liquide à évaporer, peut se présenter tant sous la forme liquide, qu'également partiellement ou The liquid to be evaporated is brought to the surface of the reaction unit 2 in the direction of the arrows shown in the figure. The necessary evaporation energy is provided by an exothermic reaction of a fuel with the oxidizing agent having penetrated by diffusion into the evaporation unit 2 and the reaction unit 3, onto the catalyst material. The fuel, for which it may also be the liquid to be evaporated, can be present both in liquid form, and also partially or
complètement sous forme de vapeur ou gazeuse. completely in vapor or gaseous form.
Suivant le type de réacteur, le gaz constitué est par exemple retourné à l'unité d'évaporation et est évacué conjointement avec l'agent d'oxydation, le cas échéant nécessaire, hors du réacteur. Dans le cas cependant o il s'agit d'un réacteur à empilage de structure modulaire du type dans lequel les éduits de réaction avec, le cas échéant, les agents d'oxydation nécessaires sont refoulés à travers toutes les unités de catalyse disposées les unes sur les autres, il y a une réaction du mélange d'éduit par l'intermédiaire de l'ensemble des unités de réaction et les produits sont ensuite prélevés à l'extrémité inférieure du Depending on the type of reactor, the gas formed is for example returned to the evaporation unit and is evacuated together with the oxidizing agent, if necessary, out of the reactor. However, in the case where it is a stacking reactor of modular structure of the type in which the reaction educts with, if necessary, the necessary oxidizing agents are forced through all the catalysis units arranged one on the others, there is a reaction of the educt mixture through all of the reaction units and the products are then taken off at the lower end of the
réacteur à empilage.stacking reactor.
La figure 2 représente une unité de catalyse 6 qui également est constituée d'une unité d'évaporation 7 et d'une unité de réaction 8. L'unité d'évaporation 7 n'est alors disposée que sur une partie de la surface de l'unité de réaction, le montage FIG. 2 represents a catalysis unit 6 which also consists of an evaporation unit 7 and a reaction unit 8. The evaporation unit 7 is then placed only on part of the surface of reaction unit, mounting
étant mobile avec une conduction de la chaleur du solide. being mobile with a conduction of the heat of the solid.
Les matériaux de l'unité de réaction et de liunité The materials of the reaction and unit unit
d'évaporation correspondent à ceux qui ont été décrits ci- corresponding to those described above
dessus au sujet de la figure 1. De même, l'agencement mobile de l'unité d'évaporation 7 sur l'unité de réaction 8 above about Figure 1. Likewise, the movable arrangement of the evaporation unit 7 on the reaction unit 8
s'effectue avec les dispositions évoquées ci-dessus. is carried out with the arrangements mentioned above.
Comme évoqué au sujet de la figure 1, l'évaporation du mélange d'éduit s'effectue dans l'unité d'évaporation 7. Le mélange constitué des éduits, des produits et d'un agent d'oxydation qui est, le cas échéant, nécessaire, est ensuite dirigé, dans le sens symbolisé par les flèches, sur la surface, couverte par l'unité d'évaporation 7, de l'unité de catalyse 8, là o le mélange d'éduit continue à réagir. La conversion du mélange d'éduit est alors contrôlable plus rapidement, cependant de façon moins bonne. L'Homme de l'art fera le choix entre les concepts, représentés sur les figures 1 et 2, du dispositif selon l'invention, en fonction de la réaction à effectuer et du As mentioned in connection with FIG. 1, the evaporation of the educt mixture takes place in the evaporation unit 7. The mixture consisting of the educts, of the products and of an oxidizing agent which is, in the case if necessary, is then directed, in the direction symbolized by the arrows, onto the surface, covered by the evaporation unit 7, of the catalysis unit 8, there where the mixture of educt continues to react. The conversion of the educt mixture can then be controlled more quickly, however less well. Those skilled in the art will choose between the concepts, represented in FIGS. 1 and 2, of the device according to the invention, depending on the reaction to be carried out and the
type de réacteur à utiliser.type of reactor to be used.
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