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FR2971433A1 - Dispositif de separation de gaz a partir de corps chimiques composes - Google Patents

Dispositif de separation de gaz a partir de corps chimiques composes Download PDF

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FR2971433A1
FR2971433A1 FR1100445A FR1100445A FR2971433A1 FR 2971433 A1 FR2971433 A1 FR 2971433A1 FR 1100445 A FR1100445 A FR 1100445A FR 1100445 A FR1100445 A FR 1100445A FR 2971433 A1 FR2971433 A1 FR 2971433A1
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plasma
plasma torch
gas
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Thibaud Cedric Olivier Emin
Jean Marc Vinson
Pascal Andre
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Original Assignee
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Abstract

Le dispositif objet de l'invention permet à la fois de produire et de séparer des gaz issus de corps chimiques composés ou de mélange de gaz en utilisant des technologies produisant des plasmas thermiques. La séparation des gaz est faite par l'application judicieuse de champs magnétiques agissant sur le plasma de gaz produit par la torche à plasma thermique. L'application préférée de l'invention est représentée par la figure 1. Dans cette figure on injecte dans la torche (1) le gaz composé de molécule complexe ou le mélange de gaz que l'on désire séparer en corps chimiques simple. Ce gaz complexe ou ce mélange de gaz peuvent être vaporisés dans un dispositif annexe (2) appelé vaporisateur. Un dispositif générant un ou des champs magnétiques (4) appelé magnétiseur est disposé en sortie de la torche (1). Un dispositif récupérateur (5) est positionné au dessus de la torche (1), dans le sens de circulation du plasma généré par la torche (1). Les éléments ainsi séparés peuvent être récupérés. Ceci constitue le but du dispositif objet de l'invention.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE PRODUCTION DE SEPARATION DE GAZ A PARTIR DE CORPS CHIMIQUES COMPOSES Domaine de l'invention La présente invention décrit un dispositif apte à réaliser la séparation en corps simple à partir de corps composés chimiquement complexes.
Le dispositif peut être utilisé pour tous types de composés complexes et en 10 ressortir chacun des corps simples composants ce produit complexe ou ce mélange de différents gaz.
Ce dispositif permet de produire et de séparer différents corps simples afin de les utiliser à leur état pur ou pour les recombiner par synthèse en des corps composés 15 complexes autres que ceux initialement introduit à l'entrée du dispositif.
On trouve plusieurs applications au dispositif objet de l'invention. Celui-ci permet, notamment, de produire de l'hydrogène à partir de la vapeur d'eau, avantageusement le dispositif utilise des plasmas thermiques à une température 20 comprise entre 4000 et 25000 degrés kelvin.
Le dispositif fonctionne avantageusement à l'aide d'une torche à plasma fonctionnant à des pressions supérieures ou égales à la pression atmosphérique.
25 Etat de la technique antérieure et problème posé
On connaît de nombreux autres procédés pour décomposer un corps chimiquement complexe en corps simples.
30 On citera pour exemple deux procédés bien connu comme l'électrolyse ou l'électrolyse haute température.
L'électrolyse est un procédé qui fonctionne industriellement mais qui a deux inconvénients. le premier est un rendement énergétique peu performant, le 35 deuxième est lié à l'impossibilité de séparer plus de deux corps.5 On peut aussi citer les nombreux procédés de séparation chimique qui présentent des difficultés de réalisations industrielles, sont parfois très polluants et sont en général dédiés à une seul séparation. Ceci oblige à concevoir autant d'installations spécifiques que de produits à séparer. L'électrolyse haute température, d'un rendement énergétique théorique supérieur à l'électrolyse basse température présente aujourd'hui de vraies difficultés de réalisation industrielle, principalement de fuite au niveau des électrodes liées à la dilatation différentielle entre les isolants et les électrodes. 10 Enfin on peut mentionner les séparations par membranes poreuses mais ces procédés sont lent et ont en général un rendement énergétique faible. Comme précédemment la membrane est en général dédiée à un seul produit.
15 On voit donc que la séparation à l'aide de torche à plasma thermique présente de nombreux avantages et notamment celui d'être basé sur des technologies éprouvées et utilisée industriellement dans de nombreuses applications. Pour référence la torche à plasma thermique est dérivée des torches dites de « Langmuir » par référence au prix Nobel inventeur de ce dispositif. 20 Résumé de l'invention
Le dispositif objet de l'invention permet de séparer plusieurs corps simples en une seule étape ou de mettre en coopération plusieurs dispositifs objets de l'invention 25 pour obtenir une séparation en plusieurs étapes de ces corps simples. Cette dernière utilisation de plusieurs dispositifs objets de l'invention, permet d'améliorer la pureté de certains corps issus du dispositif global par une séparation en plusieurs étapes.
30 Exposé détaillé de l'utilisation du procédé selon l'invention
La lecture de la description détaillée, ci-après, du dispositif objet de l'invention tel que représenté sur la figure 1 permettra de mieux comprendre l'invention.
A l'entrée du dispositif on injecte le produit chimiquement complexe que l'on souhaite séparer en corps simples dans un vaporisateur (2). Ce vaporisateur a pour but de vaporiser le produit en question avant de l'introduire dans la torche (1).
On pourrait aussi directement injecter le produit ou l'élément chimique complexe directement dans son état physique initial, qu'il soit liquide ou même solide, mais dans ce cas l'énergie pour le vaporiser serait directement apportée par la torche (1). Pour des raisons d'optimisation énergétique le dispositif, dans son application préférée selon l'invention, présente un vaporisateur (2) en amont de la torche à plasma (1). La torche (1) est munie avantageusement d'un échangeur de chaleur (3) dont la fonction est double. Elle consiste d'une part à protéger le corps de la torche elle-même en abaissant la température des différentes parties du corps de la torche pour que celle-ci résiste à un fonctionnement industriel. La torche est, dans l'exemple proposé pour illustrer l'invention, composée de deux parties appelées cathode (la) et anode (lb). L'ensemble de ces deux parties compose la torche à plasma (1) et sont dénommées électrodes. Il est possible dans le dispositif d'inverser les polarités électriques dans la torche (1); dans ce cas l'anode devient cathode, le sens d'écoulement du plasma restant inchangé par ailleurs. Toutes les explications du fonctionnement du dispositif selon l'invention restent applicables. Chacune des parties de la torche est munie d'un échangeur de chaleur respectivement (3a) et (3b). Ces échangeurs sont ensemble appelés « échangeur » (3).La chaleur récupérée par l'échangeur (3) peut être avantageusement utilisée pour vaporiser partiellement ou totalement le composé complexe afin de l'introduire dans La torche à plasma thermique (1). La distance entre la cathode et l'anode fait partie des paramètres devant être fixés pour optimiser le procédé. En outre, la torche (1) a au moins une électrode, dont une partie au moins peut 30 être constituée d'un cône inversé par rapport au sens de circulation du plasma. La torche (1) est alimentée en énergie électrique par une alimentation électrique réglable et paramétrable sur l'ensemble de ses paramètres. Les fils de cette alimentation sont repérés (6a) et (6b) La variation des paramètres d'alimentation
35 électriques influe sur le résultat et fait partie des paramètres devant être fixés pour optimiser le procédé.
Ainsi, on peut régler la tension de la torche pour compenser l'usure de la torche ou les variations de débit du produit d'entrées. Dans le dispositif on injecte dans la torche (1) le gaz composé de molécules complexes ou le mélange de gaz que l'on désire séparer en corps chimiques simple. Ce gaz complexe ou ce mélange de gaz peut être vaporisé dans un dispositif annexe (2) appelé « vaporisateur ». Le débit de sortie du vaporisateur fait partie des paramètres devant être fixés pour optimiser le procédé. l0 Un dispositif générant un ou des champs magnétiques (4) appelé « magnétiseur » est disposé avantageusement en sortie de la torche (1). Il pourrait éventuellement être combiné à la torche (1), par exemple bobiné ou fixé sur l'anode (lb), mais la température issue de la torche (1) en diminuerait l'efficacité. 15 Le réglage de l'intensité des champs magnétiques fait partie des paramètres utilisés pour optimiser le procédé. On peut aussi bien se servir d'un courant continu ou d'un courant alternatif pour alimenter la torche à plasma (1).
20
De même, dans le magnétiseur (4) on peut utiliser un champ magnétique ayant un vecteur unidirectionnel et une composante fixe, par exemple à l'aide d'un aimant permanent, mais on peut tout aussi bien utiliser un champ magnétique généré par une bobine. Cette bobine peut être alimentée en courant continu ou en courant
25 alternatif par les fils (8a) et (8b). Si on alimente la bobine du magnétiseur (4) en courant alternatif, il est avantageux de faire varier le courant de la bobine en coopération avec le courant qui alimente la torche (1). Cette coopération peut être comprise comme un rapport entre les phases du courant de la bobine du magnétiseur (4) avec celui de la torche (1). Pour exemple on change la séparation
30 des espèces gazeuses dans le plasma de la torche (1) en utilisant un champ magnétique en opposition de phase avec le courant de la bobine; mais cette coopération peut être aussi entre les deux courants précités comme le rapport entre leurs fréquences ou même la différence de forme des signaux électriques alimentant la torche (1) et le magnétiseur (4).
35 '5 Il est évident que la combinaison des paramètres que sont le déphasage entre les courants de la bobine du magnétiseur (4) et celui de la torche (1), le rapport de leurs fréquences respectives et la forme ou l'amplitude de chacun de ces courants, fait partie de l'innovation.
Ces paramètres, pris séparément, tous ensembles ou par groupe représentent différentes possibilités utilisées dans le dispositif objet de l'invention.
Le réglage de ces différents paramètres influe sur les produits issus du dispositif objet de l'invention.
En sortie de la torche (1) dans le sens de progression du procédé et du sens des fluides on a disposé un récupérateur (5) dont la fonction est de collecter les différents gaz séparés dans le plasma gazeux. Ce récupérateur (5) peut avantageusement être associé à un échangeur de chaleur secondaire (6). L'énergie ainsi récupérée par cet échangeur secondaire (13) peut être utilisée, si besoin, dans le dispositif lui même pour vaporiser, comme précédemment le gaz complexe ou éventuellement être utilisé dans un autre procédé industriel. Le récupérateur (5) dispose d'autant de sortie que de gaz que l'on a séparés. Sur chacune des sorties on a installé un échangeur de chaleur (7) qui récupère l'énergie de recomposition libéré par les gaz lorsque chacun d'entre eux recompose les atomes dissociés en molécules de gaz pur stables.
Pour illustrer cet exemple dans le cas de l'hydrogène cette énergie correspond à celle cédée par les atomes d'hydrogène du plasma en molécules de gaz dihydrogène stable H2 (dihydrogène gazeux) ou H3(Tritium) et (dioxygène gazeux) 02 ou 03 (ozone).
En récupérant à chaque étape du dispositif l'énergie produite par chacune des étapes du dispositif on obtient un bilan énergétique très favorable par rapport aux 30 procédés de séparation chimiques ou par électrolyse.
Le dispositif objet de l'invention ne présente pas les difficultés de réalisation industrielle des autres méthodes de séparation, notamment les difficultés d'assurer les étanchéités à hautes températures. 35 15 Sur la figure 1, la pièce (9a) sert de lien entre la connexion électrique et la cathode, la pièce (9b) sert de lien entre la connexion électrique et l'anode, la pièce (10) est un isolant électrique, la pièce (11) permet d'injecter le gaz complexe ou le mélange de gaz dans la torche (1), la pièce (9a) est un isolant thermique.
La figure 3 représente une torche à électrodes multiples. L'utilisation de plus de deux électrodes a pour avantage de pouvoir générer des arcs électriques de qualité différente. Pour exemple la mise en place de plusieurs anodes et une cathode alimentées en courants alternatifs à phases multiples génère des arcs électriques tournant dans la torche plasma. L'utilisation de ce type d'électrodes multiples a pour avantage de maîtriser la fréquence de rotation de la tâche anodique et cathodique et ainsi de contrôler l'usure des électrodes. On défini par tâche anodique et tâche cathodique les points d'accrochage de l'arc électrique sur les électrodes.
Elles permettent de coupler directement la torche a divers type de sources 20 électriques notamment l'alternateur d'éoliennes.
De même il est intéressant comme représenté sur la figure 3 de disposer, spatialement répartis, de plusieurs sous ensembles aptes à générer des champs magnétiques. Là aussi, le fait d'alimenter ces sous ensembles, pour exemple, par 25 en courants alternatifs à phases multiples permet de modifier le plasma.
La figure 2 représente plusieurs dispositifs selon l'invention mise en coopération entre eux. Ce type de montage permet d'obtenir une qualité de séparation plus grande et donc une grande pureté des produits obtenus. 30 Avantages Ce dispositif et le procédé préférentiellement associé trouvent une application particulièrement avantageuse dans la décomposition de la molécule d'eau en corps 35 simple que sont l'hydrogène et l'oxygène. 10 2971433 .7 Ce dispositif permet aussi de sélectionner et de récupérer des gaz issus par exemples d'une incinération.
Dans le dispositif et le procédé préférentiellement associé ont augmente le bilan énergétique en récupérant la chaleur aux différentes étapes du procédé. Cette chaleur peut être avantageusement utilisée à d'autres étapes du procédé ou éventuellement pour toute autres utilisation externe comme par exemple des moyens de production d'énergie par turbine si l'on utilise cette chaleur pour produire de la vapeur.
Le bilan énergétique est beaucoup plus favorable que les procédés de séparation utilisant d'autres technologies.
Liste des figures
La figure 1 décrit l'application du dispositif préféré selon l'invention. La figure 2 représente le dispositif utilisé en plusieurs étages. La figure 3 représente un exemple de torche à électrodes multiples.

Claims (17)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif permettant de produire et séparer des corps simples à partir de corps chimiquement complexes ou à partir de mélange de corps simple caractérisé en ce que le dispositif comprend une torche à plasma thermique (1), un dispositif générant des champ magnétiques (4), un récupérateur de gaz (5) disposé après la torche (1) dans le sens de circulation des fluides.
  2. 2. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (4) lo générant le ou les champs magnétiques coopère avec la sortie de la torche à plasma (1).
  3. 3. Dispositif, selon les revendications 1, caractérisé en ce que la torche a plasma (1) peut être munies de plus de deux électrodes. 15
  4. 4. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la torche (1) a au moins une électrode dont une partie au moins est un cône inversé par rapport au sens de circulation du plasma. 20
  5. 5. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que un échangeur de chaleur coopère avec au moins une des sorties du récupérateur de gaz (5).
  6. 6. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que au moins un échangeur de chaleur coopère avec au moins une des pièces constituant la 25 torche à plasma (1).
  7. 7. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que au moins un échangeur de chaleur coopère avec le récupérateur de gaz (5). 30
  8. 8. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mise en coopération de plusieurs d'entre eux est possible.
  9. 9. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence du champ magnétique du magnétiseur (4) est mise en coopération avec la 35 fréquence du courant électrique dans la torche à plasma (1). 15'9
  10. 10. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase du champ magnétique du magnétiseur (4) est mise en coopération avec la phase du courant électrique dans la torche à plasma (1).
  11. 11. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on règle la tension de la torche pour compenser l'usure de la torche ou les variations de débit du produit d'entrées.
  12. 12. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on règle le champ 10 magnétique en intensité.
  13. 13. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme des signaux électriques alimentant la torche (1) et ceux alimentant le magnétiseur (4) ne sont pas identiques.
  14. 14. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes de la torche à plasma (1) sont alimentées par des signaux électriques à plusieurs phases. 20
  15. 15. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le magnétiseur (4) peut être composé de plusieurs sous ensembles répartis spatialement.
  16. 16. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sous ensembles composant le magnétiseur (4) sont alimentés par des signaux électriques à 25 plusieurs phases.
  17. 17. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alimentation électrique de la torche (1) et éventuellement le magnétiseur (4) peuvent être couplés avec un mode de production d'énergie électrique ayant une fréquence, 30 une amplitude ou une phase variable.
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