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WO2023037258A1 - Réacteur isotherme pour la conversion chimique par plasma-catalyse - Google Patents

Réacteur isotherme pour la conversion chimique par plasma-catalyse Download PDF

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WO2023037258A1
WO2023037258A1 PCT/IB2022/058410 IB2022058410W WO2023037258A1 WO 2023037258 A1 WO2023037258 A1 WO 2023037258A1 IB 2022058410 W IB2022058410 W IB 2022058410W WO 2023037258 A1 WO2023037258 A1 WO 2023037258A1
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cells
housing
plasma
reactor
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English (en)
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Vincent PIEPIORA
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Original Assignee
Energo
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Priority to EP22769396.7A priority patent/EP4399020A1/fr
Priority to JP2024514358A priority patent/JP2024532915A/ja
Priority to US18/690,273 priority patent/US20250332564A1/en
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Definitions

  • the present invention belongs to the field of chemical conversion, and relates more particularly to an isothermal reactor for the chemical conversion of molecular reagents in gaseous form into molecular products in gaseous or liquid form using plasma technology by dielectric barrier discharge , known as DBD, which can use a catalyst as needed, allowing chemical conversion via plasma-catalysis.
  • DBD dielectric barrier discharge
  • An object of the invention is thus in particular to propose a solution making it possible to carry out plasma-catalysis by DBD on an industrial scale.
  • This object of the invention is achieved with a casing for a dielectric barrier discharge reactor, in particular by plasma-catalysis, comprising fixed support elements and a plurality of DBD cells capable of being installed on said support elements without dismantling. of these supporting elements.
  • This housing is thus perfectly compatible with use in a reactor in an industrial context.
  • said housing comprises two plates provided with bores capable of receiving said DBD cells, a reactant fluid inlet, a product fluid outlet, and a heat transfer fluid inlet and outlet, said support means comprising two plates provided with bores capable of receiving said DBD cells in a removable manner: this very simple design of the reactor allows the circulation of the various fluids occurring during the operation of the reactor;
  • said inlets and outlets are arranged so as to allow flows of said reactant/product fluids and of said heat transfer fluid according to directions substantially and respectively parallel and perpendicular to the axes of said DBD cells: this arrangement allows optimal heat exchange between the DBD cells and the heat transfer fluid, whether the chemical reaction is exothermic (heat transfer from the DBD cells to the heat transfer fluid) or endothermic (heat transfer from the coolant to the DBD cells);
  • said housing comprises, in the heat transfer fluid circulation compartment, baffles arranged so as to be separated from said DBD cells by a distance substantially equal to that separating said DBD cells from each other: such an arrangement ensures a substantially homogeneous distribution of the velocity and pressure fields of the heat transfer fluid inside the reactor;
  • said housing comprises a reagent fluid inlet manifold, a product fluid outlet manifold, these manifolds being provided with means for connecting to said DBD cells, these manifolds forming said support means for said DBD cells, means for electrical heating of said DBD cells being further provided: this embodiment with electrical heating is suitable for endothermic chemical reactions, that is to say requiring a supply of heat;
  • said electric heating means comprise heating sleeves surrounding each DBD cell
  • said support means form the electrical supply ground of said DBD cells: it is thus possible to connect the DBD cells to the electrical ground of the case by simply placing the cells in the support means, without no electrical wiring.
  • the present invention also relates to a removable DBD cell for a box according to the above, comprising:
  • This cell comprises a support and an electrically conductive lower plug connected to said electrically and thermally conductive tube, capable of cooperating removably with the support means forming electrical supply mass of said DBD cells;
  • said plasma-generating electrode has a diameter greater than that of said conductive element and is chosen from the group comprising a cylinder, a brush with metallic bristles, a spring, a metallic conductive layer deposited inside said at least one tubular element made of dielectric material: such a plasma-generating electrode can therefore be produced very easily and at low cost, with elements commonly available on the market;
  • this cell is charged with a catalyst placed inside said electrically and thermally conductive tube, facing said plasma-generating electrode, and held in place inside this tube by two fractions of dielectric holding material arranged between said upper and lower caps, said catalyst and said dielectric material having a porosity or conduits allowing the circulation of the fluid of reactants to be treated: such an arrangement makes it possible to ensure in a very simple manner the maintenance of the catalyst inside the electrically and thermally conductive tube, and to make very easy to replace.
  • the present invention also relates to a reactor in accordance with the foregoing, comprising at least one casing equipped with removable DBD cells in accordance with the foregoing: such a reactor, in which the DBD cells are installed in parallel, makes it possible to process large flow rates of reagent fluids, which makes it particularly suitable for use in an industrial context.
  • the removable DBD cells of this reactor are interconnected by a common plasma generation power supply.
  • the present invention also relates to the use of such a reactor for the implementation of a chemical reaction chosen from the group comprising:
  • FIG. 1 schematically illustrates, in axial section, a removable DBD cell according to one embodiment of the invention, comprising an electrically and thermally conductive tube and a single internal dielectric material on the plasma discharge zone of the electrode;
  • FIG. 2 schematically illustrates, in axial section, a removable DBD cell according to another embodiment of the invention, comprising an electrically and thermally conductive tube and two dielectric materials, arranged respectively on the plasma discharge zone of the electrode and inside the tube;
  • FIG. 3 schematically illustrates, in axial section, a removable DBD cell according to yet another embodiment of the invention, comprising a tube electrically and thermally conductive and a single dielectric material inside the tube;
  • FIG. 4 schematically illustrates, in axial section, a removable DBD cell fixed, according to one embodiment of the invention, between the two plates of the casing of a reactor with the circulation of heat transfer fluid;
  • FIG. 5 schematically illustrates, in axial section of the DBD cells, the two plates of the reactor casing with an empty slot, a removable DBD cell being inserted and a removable DBD cell fixed, according to an embodiment of invention
  • FIG. 6 schematically illustrates, in axial section of the DBD cells, three removable DBD cells fixed to the plates of the reactor casing with their electrodes interconnected by the network of high voltage connectors;
  • FIG. 7 schematically illustrates, in perspective and with the effect of transparency, a removable DBD cell according to the invention
  • FIG. 8 illustrates schematically and in perspective a reactor casing according to the invention, the upper and lower covers of which have been removed, in order to observe the layout of the attachment locations for the removable DBD cells on the plates;
  • Figure 9 illustrates schematically and in perspective a reactor housing according to the invention, the upper and lower covers of which have been installed, in order to observe one embodiment of the inlet and outlet ducts for the reactant fluids /products and coolant;
  • FIG. 10 schematically illustrates a vertical section of a reactor assembly according to the invention in operation, taken along the axis of the inlet and outlet ducts for the reactant fluids/products, showing the variation in the speed of flow, and therefore the correct distribution between each DBD cell, of the reactive fluids and products at through the removable DBD cells from the reactive fluids inlet conduit to the fluids outlet produced by the outlet conduit;
  • FIG. 11 schematically illustrates a vertical section similar to that of FIG. 10, showing the variation in the pressure of the reactant fluid during its flow through the removable DBD cells from the reactant fluid inlet conduit to the at the outlet of the product fluid through the outlet duct;
  • FIG. 12 is a top view, that is to say in the direction Fr of FIG. 9, of the reactor casing according to the invention, the upper plate of which has been removed in order to observe the placement internal baffles allowing good distribution of the heat transfer fluid between the network of longitudinal channels of the removable DBD cells;
  • FIG. 13 is a top view of the reactor in operation, indicating the variation in the flow rate and therefore the correct distribution of the heat transfer fluid around the removable DBD cells from the heat transfer fluid inlet duct to the heat transfer fluid outlet pipe;
  • FIG. 14 similar to FIG. 13, indicates the variation in the temperature of the heat transfer fluid around the removable DBD cells from the heat transfer fluid inlet conduit to the heat transfer fluid outlet conduit;
  • FIG. 15 shows the variation in the pressure of the heat transfer fluid around the removable DBD cells from the heat transfer fluid inlet conduit to the heat transfer fluid outlet conduit;
  • FIG. 16 illustrates in section another embodiment of the reactor casing of the invention, suitable for endothermic chemical reactions, provided with means for electrical heating of the DBD cells;
  • Figure 17 is a perspective view of the housing of Figure 16;
  • FIG. 18 Figure 18 is a perspective view from another angle of the housing of Figures 16 and 17. [0030] For greater clarity, identical or similar elements are identified by identical or similar reference signs in all of the figures.
  • DBD - Dielectric Barrier Discharge designates, in the present invention, an electric discharge created between two electrically conductive elements separated by one or more dielectric elements.
  • DBD cell designates, in the present invention, a complete assembly of electrode, cathode, dielectric materials, electrical connector, fixing plugs, preferably but not necessarily with one or more catalyst(s) and one or more and material(s) for holding the catalyst, assembled in a removable cell which will be fixed to the plates of the reactor.
  • reaction fluid designates, in the present invention, molecules which will undergo a chemical reaction in particular by plasma-catalysis during their passage through the DBD cells of the reactor.
  • product fluid designates, in the present invention, molecules resulting from the reaction in particular of plasma-catalysis inside the removable DBD cells.
  • heat transfer fluid designates, in the present invention, a fluid suitable for transporting heat between two temperature sources.
  • baffle designates, in the present invention, walls allowing a homogeneous distribution of the heat transfer fluid around the DBD cells.
  • dielectric designates, in the present invention, an electrical insulating material which makes it possible to provide electrical insulation between the high voltage network associated with the electrode and the electrically and thermally conductive tube connected to ground via the reactor. This type of electrical insulating material is also used inside the DBD cell in order to generate a plasma by Dielectric Barrier Discharge (DBD) by favoring the accumulation of electrical charge between the electrode and the ground until the voltage breakdown and therefore obtaining a plasma.
  • DBD Dielectric Barrier Discharge
  • catalyst designates, in the present invention, a material promoting the chemical reaction of the reactant fluids.
  • electrode designates, in the present invention, an element consisting of electrically conductive material inserted into the DBD cell and connected to the high voltage network which makes it possible to connect the DBD cells together to the source of the high voltage generator.
  • catalyst retaining material designates, in the present invention, an element consisting of dielectric material inserted into the DBD cell which makes it possible to contain the catalyst in the plasma discharge zone while allowing the reactive fluid to circulate. through himself.
  • FIG. 1 schematically illustrates a removable DBD cell C which makes it possible to implement a chemical conversion via a plasma-catalysis process by DBD with a single dielectric element.
  • This cell comprises a conductive element 1 comprising a high voltage connector 3 allowing the connection of the cell to the high-voltage network of the reactor, a conductive support 4 making it possible to connect and hold the high-voltage connector 3 to a plasma-generating electrode 5.
  • the conductive element 1 materializes the axial direction of the DBD cell.
  • This plasma-generating electrode 5 may include metal bristles in the manner of a brush or a bottle brush. Alternatively, it may be in the form of a metal spring or a metal cylinder.
  • the conductive element 1 is placed inside an element of dielectric material 7 of tubular shape, against the inner wall of which the plasma-generating electrode 5 bears, and which will make it possible to carry out the DBD.
  • This dielectric element 7 can be made for example of glass, ceramic or alumina.
  • the dielectric material can be molded over the whole of the conductive element 1 and of the plasma-generating electrode 5, as for a heat engine spark plug, and that this dielectric material fills all empty spaces, so as to avoid the appearance of parasitic plasma phenomena.
  • the plasma-generating electrode can be formed by a metallic conductive layer deposited inside the tubular element made of dielectric material 7.
  • the conductive element 1 is held between an upper plug 9 and a lower plug 11.
  • the upper plug 9 is made of an insulating dielectric material such as glass or ceramic and allows the element to be held and centered. conductor 1 (including high voltage connector 3).
  • the lower plug 11 is made of a material such as a metal or metal alloy, or a ceramic. In the case of a metal alloy, which is easier to machine than ceramic, 316L stainless steel can be used.
  • the upper plug 9 is fixed to an upper metal support 13, itself fixed to an electrically and thermally conductive tube 15, defining the cylindrical outer wall of the removable DBD cell, preferably made of metal or metal alloy.
  • the upper plug 9 allows the reagent fluid to circulate through one or more perforated channels 17 or other porous structure allowing the reagent fluid to circulate.
  • the upper plug 9 also makes it possible to contain the upper fraction 19 of a material for holding the catalyst 21, placed in the upper part of the tube 15.
  • the lower plug 11 allows the reagent fluid to circulate through one or more perforated channels 23 or other porous structure allowing the reagent fluid to circulate.
  • the lower plug 11 also makes it possible to contain the lower fraction 25 of a material for holding the catalyst 21, placed in the lower part of the tube 15.
  • the upper fraction 19 of the catalyst support material 21 and the lower fraction 25 of the catalyst support material 21 make it possible to maintain the catalyst 21 in the plasma discharge zone by DBD, vis-à-vis the plasma generating electrode 5.
  • the upper 19 and lower 25 fractions of catalyst holding material and the catalyst 21 allow the passage of the reactant fluid thanks to their permeability. They are contained inside the electrically and thermally conductive tube 15 and held by the upper 9 and lower 11 caps.
  • the catalyst support material may typically comprise glass or quartz or ceramic balls, or even a sintered glass material, the diameter of which will be chosen so as to prevent the catalyst grains from escaping into the inter-ball spaces.
  • the catalyst 21, located in the plasma discharge zone by DBD opposite the plasma-generating electrode 5, will make it possible to carry out a chemical conversion of the reactant fluid.
  • the electrically and thermally conductive tube 15 may have a diameter which does not exceed the diameter of the plasma-generating electrode 5 of the conductive element 1 by 3 cm, and preferably by 2 cm. .
  • the length of this tube 15 is moreover typically less than 30 cm.
  • Figure 2 illustrates another embodiment of a removable DBD cell according to the invention.
  • This embodiment differs from the previous one in that a second dielectric element 27 of tubular shape, containing the two fractions 19, 25 of holding material and the catalyst 21, is placed against the internal wall of the tube electrically and thermally. driver 15.
  • This embodiment therefore makes it possible to implement a chemical conversion via a plasma-catalysis process by DBD with two dielectric elements 7, 27.
  • FIG. 3 illustrates yet another embodiment of a removable DBD cell according to the invention.
  • This embodiment differs from the previous one in that the conductive element 1 is no longer placed inside a tubular dielectric element 7. Only the conductive support 4 is coated with a dielectric material, and a centering element 29 made of dielectric material is interposed between the plasma-generating electrode 5 and the lower plug 11. On the other hand, in this embodiment, there is no dielectric element around the plasma-generating electrode 5.
  • FIG. 4 schematically illustrates a removable DBD cell C, conforming for example to the first embodiment above, which is fixed to the upper 31 and lower 33 plates of a reactor casing according to the invention.
  • the plates 31 and 33 which form fixed support elements, can be made for example of 316L grade stainless steel, and are drilled in multiple places to allow the removable installation of a plurality of cells DBD C parallel to each other.
  • the reactant fluid circulates from top to bottom, as indicated by the arrow Fr in FIG. 4, through the removable DBD cell C, while a heat transfer fluid circulates around the electrically and thermally conductive tube 15 of the DBD cell and between the two plates 31 and 33, as indicated by the arrow Fc.
  • the circulation of the heat transfer fluid allows the operation of an isothermal reactor.
  • FIG. 5 schematically illustrates the installation of DBD cells C1, C2 between the upper 31 and lower 33 plates of the reactor casing.
  • an empty slot is illustrated: this slot is formed by two bores 35, 37 formed respectively in the upper 31 and lower 33 plates of the reactor casing.
  • a removable DBD cell C1 is being inserted into a free slot.
  • FIG. 5 schematically illustrates an electrical interconnection of the conductive elements 1: when all the removable DBD cells C1, C2, C3... are installed between the 2 plates 31 and 33, their conductive elements 1 are connected to the high voltage network via a network of electric cables 38.
  • the removable DBD cells C can be prepared and assembled in a dedicated location, before being moved and then easily installed in the housing of the DBD reactor, without dismantling. plates 31, 33. They also allow easy maintenance and replacement.
  • the electrically and thermally conductive tube 15 allows an exchange of heat flow from the isothermal reactor.
  • each removable DBD cell C constitute the anodes of these cells, the cathodes being constituted by the electrically and thermally conductive tubes 15 of these cells, which are electrically connected to the ground of the casing B of the reactor by the intermediary of the upper metal support 13, and of the electrically and thermally conductive lower cap 11, themselves electrically connected to the plates 31 and 33 forming the electrical supply ground of the DBD cells.
  • the isothermal plasma-catalysis conversion reactor The isothermal plasma-catalysis conversion reactor
  • the removable DBD cells C are implemented in an isothermal reactor housing B as shown schematically in Figure 8.
  • the DBD cells C are parallelized by being installed in the bores 35 of the upper plate 31, and in the corresponding bores (not visible in figure 8) of the lower plate of the housing B.
  • a high voltage socket (not shown) connected in a sealed manner to the network of electric cables 38 makes it possible to supply the removable DBD cells with a signal at the desired voltage, frequency and power depending on the reactions that one wishes to implement in the reactor.
  • the reactor according to the invention allows the use of one or more DBD cells arranged parallel to each other and allows good distribution of the reagent fluid between the cells mainly thanks to the pressure drop induced by the passage of the fluid of reagents through the various elements of the removable DBD cell.
  • a pressure drop will make it possible to avoid a preferential path determined by the initial velocity of the fluid in the inlet duct 45 by the kinetic energy of the fluid, and on the contrary make it possible to distribute the fluid in all the cells whose Homogeneous flow in each cell will be established by the balance between flow rate and head loss of each cell.
  • the compartment of the reactor dedicated to the flow of the reactant fluid contains a network of DBD cells in which the fluid flows to the outlet of the reactor, the pressure drop in each of the cells induced by the presence of the catalyst allowing a homogeneous distribution of the reactant fluid in each cell placed in parallel thanks to a phenomenon of balance between fluid flow rate and associated pressure drop.
  • Figure 10 schematically illustrates a vertical section of the reactor according to the invention, that is to say taken along the plane PI of Figure 9, allowing to observe the speed 53 and the good distribution of the reagent fluid between the input 45 and the output 47 in all the DBD C cells thanks to their respective pressure drops.
  • FIG. 11 makes it possible to observe the isobaric lines 55 and the correct distribution of the reactant fluid between the inlet 45 and the outlet 47 in all the DBD C cells thanks to their respective pressure drops.
  • a network of non-symmetrical cells can be set up with a larger number of cells on one side of the reactor without affecting the good distribution reagent fluid.
  • the reactor according to the invention allows the use of one or more DBD cells arranged parallel to each other.
  • the reactor compartment dedicated to the flow of heat transfer fluid contains an arrangement of walls allowing good distribution of the heat transfer fluid through all the cells; more precisely, baffles are provided in order to guarantee a passage of the coolant fluid through the network of paralyzed cells.
  • the baffles are ideally located relative to the DBD cells at a distance equivalent to the distance which separates the DBD cells from each other.
  • the baffles also reproduce the shape of the network of cells to avoid any preferential path.
  • FIG. 12 schematically illustrates a top view of the reactor casing B with the presence of baffles 57 ideally located along the network of DBD C cells. 51 through the network of DBD C cells and between the side walls 59 and the plates 31, 33 of the housing B.
  • the DBD C cells and the baffles 57 are preferably arranged so as to define a network of heat transfer fluid circulation channels having a general hexagonal shape, as shown in FIG. 12, these channels extending in a substantially perpendicular direction. to the axes of DBD C cells.
  • Figure 13 allows the speed 61 of the heat transfer fluid to be observed throughout the network of cells C between the inlet 49, the outlet 51 and the baffles 57: as can be seen in this figure, this speed is distributed substantially uniformly within the volume defined by the casing B of the reactor.
  • Figure 14 makes it possible to observe the temperature gradient 62 of the heat transfer fluid in the entire network of cells C between the inlet 49, the outlet 51 and the baffles 57.
  • Figure 15 makes it possible to observe the pressure gradient 63 of the heat transfer fluid in the entire network of cells C between the inlet 49, the outlet 51 and the baffles 57.
  • the flow of reactant and product fluids and of the heat transfer fluid are not influenced by the layout of the reactor inlets and outlets but by the arrangement of the baffles for the heat transfer fluid and by the pressure drop for the fluids of reactants and products (allowing a homogeneous distribution).
  • the DBD cells should be heated, typically to several hundred degrees Celsius: in this case, the use of a heat transfer fluid such as oil is not appropriate. .
  • the housing B comprises a reactant fluid supply manifold 67, and a product fluid outlet manifold 69, these manifolds being electrically conductive.
  • These feeders 67, 69 are respectively connected to each of the DBD cells C1, C2, C3, etc. by electrically conductive inlet 71 and outlet 73 ducts arranged respectively in the upper support 13 and in the lower plug 11 of each cell.
  • Connecting means such as connectors marketed under the Swagelok or Fitok brands, make it possible to removably connect the inlet 71 and outlet 73 ducts of each DBD cell C1, C2, C3, etc. respectively to the supply 67 and output 69 manifolds.
  • Heated and thermally insulated electric sleeves 75 envelop each DBD cell, and are powered by electric cables 77; thermoregulators and thermocouples make it possible to control the temperature of these heating sleeves 75.
  • the feed 67 and output 69 manifolds form support elements for the DBD cells C1, C2, C3, etc.
  • These electrically conductive support elements form the electrical supply ground of these DBD cells once they are connected thereto by the electrically conductive inlet 71 and outlet 73 conduits of each cell, themselves same electrically connected to the electrically and thermally conductive tube 15 of each cell.
  • This embodiment allows good distribution of the reagent fluid in the DBD cells, and fine temperature control thanks to the individual heating sleeves and the temperature regulation by ventilated air inside the housing.
  • the removable DBD cell reactor which has just been described can very usefully and efficiently be used for the following reactions:

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Abstract

L'invention concerne un réacteur pour plasma-catalyse par décharge à barrière diélectrique, comprenant un boîtier de réacteur (B) apte à recevoir une pluralité de cellules DBD (C1, C2, C3...) montées de manière amovible à l'intérieur de ce boîtier.

Description

REACTEUR ISOTHERME POUR LA CONVERSION CHIMIQUE PAR PLASMA- CATALYSE
[0001] Domaine technique
[0002] La présente invention appartient au domaine de la conversion chimique, et porte plus particulièrement sur un réacteur isotherme pour la conversion chimique de réactifs moléculaires sous forme gazeuse en produits moléculaires sous forme gazeuse ou liquide utilisant une technologie de plasma par décharge à barrière diélectrique, dite DBD, pouvant utiliser selon les besoins un catalyseur, permettant la conversion chimique via plasma-catalyse.
[0003] Technique antérieure
[0004] Les technologies de synthèse chimique sous forme gazeuse en industrie utilisent des technologies de catalyse hétérogène par voie thermique. Ces technologies nécessitent des pressions et des températures des gaz élevées afin de favoriser l'activation du catalyseur, de déplacer l'équilibre thermodynamique et de garantir un taux de conversion intéressant. Les volumes de catalyse dans le cadre de la mise en œuvre de ces technologies sont importants avec des ratios débit sur volume de catalyseur de quelques milliers par heure, nécessitant des réacteurs de taille importante. Dans le cadre de réactions exothermiques ou endothermiques le contrôle de température dans ces réacteurs est déterminant, ce qui complexifie le pilotage d'un tel réacteur et son coût de fabrication. Enfin, la catalyse hétérogène requiert une bonne qualité des gaz nécessitant un dispositif d'épuration en amont du réacteur. La mise en œuvre de ces équipements entraîne un coût de production élevé.
[0005] Différents travaux ont été conduits pour mettre au point des technologies de synthèse chimique par plasma froid, permettant de s'affranchir des problèmes de température susmentionnés : parmi ces technologies, la Décharge à Barrière Diélectrique (DBD), notamment couplée à la présence d'un catalyseur hétérogène (plasma-catalyse), s'est avérée particulièrement prometteuse. [0006] Différents réacteurs expérimentaux ont pu être testés, mais leur facilité d'utilisation s'est avérée incompatible avec une utilisation industrielle.
[0007] Un but de l'invention est ainsi notamment de proposer une solution permettant d'effectuer de la plasma-catalyse par DBD à l'échelle industrielle.
[0008] On atteint ce but de l'invention avec un boîtier pour réacteur à décharge à barrière diélectrique notamment par plasma-catalyse, comprenant des éléments de support fixes et une pluralité de cellules DBD aptes à être installées sur lesdits éléments de support sans démontage de ces éléments de support.
[0009] Ces cellules amovibles peuvent ainsi être installées dans le boîtier avec le minimum de manipulations : on peut ainsi les préparer en dehors du boîtier, puis venir les installer très simplement dans le boîtier lorsqu'on souhaite utiliser celui-ci à des fins de synthèse chimique à l'intérieur d'un réacteur.
[0010] Lorsqu'on souhaite assurer la maintenance de ces cellules, il suffit de les enlever du boîtier pour faciliter l'intervention sur chacune d'entre elles, sans aucune opération complexe de démontage.
[0011] Ce boîtier est ainsi parfaitement compatible avec une utilisation dans un réacteur dans un contexte industriel.
[0012] Suivant d'autres caractéristiques optionnelles de l'invention, prises seules ou en combinaison :
[0013] - ledit boîtier comprend deux platines munies d'alésages aptes à recevoir lesdites cellules DBD, une entrée de fluide de réactifs, une sortie de fluide de produits, et une entrée et une sortie de fluide caloporteur, lesdits moyens de support comprenant deux platines munies d'alésages aptes à recevoir lesdites cellules DBD de manière amovible : cette conception très simple du réacteur permet la circulation des différents fluides intervenant lors du fonctionnement du réacteur ;
[0014] - lesdites entrées et sorties sont disposées de manière à permettre des écoulements desdits fluides de réactifs/produits et dudit fluide caloporteur selon des directions sensiblement et respectivement parallèles et perpendiculaires aux axes desdites cellules DBD : cet agencement permet un échange optimal de chaleur entre les cellules DBD et le fluide caloporteur, que la réaction chimique soit exothermique (transfert de chaleur des cellules DBD vers le fluide caloporteur) ou endothermique (transfert de chaleur du fluide caloporteur vers les cellules DBD) ;
[0015] - ledit boîtier comprend, dans le compartiment de circulation du fluide caloporteur, des chicanes disposées de sorte à être séparées desdites cellules DBD d'une distance sensiblement égale à celle séparant lesdites cellules DBD entre elles : un tel agencement permet d'assurer une répartition sensiblement homogène des champs de vitesse et de pression du fluide caloporteur à l'intérieur du réacteur ;
[0016] - ledit boîtier comprend une nourrice d'entrée de fluide de réactifs, une nourrice de sortie de fluide de produits, ces nourrices étant munies de moyens de raccord auxdites cellules DBD, ces nourrices formant lesdits moyens de support desdites cellules DBD, des moyens de chauffage électrique desdites cellules DBD étant en outre prévus : ce mode de réalisation à chauffage électrique est adapté pour les réactions chimiques endothermiques, c'est-à-dire nécessitant un apport de chaleur ;
[0017] - lesdits moyens de chauffage électrique comprennent des manchons chauffants entourant chaque cellule DBD ;
[0018] - lesdits moyens de support forment la masse d'alimentation électrique desdites cellules DBD : on peut de la sorte réaliser la connexion des cellules DBD à la masse électrique du boîtier par simple mise en place des cellules dans les moyens de support, sans aucun câblage électrique.
[0019] La présente invention se rapporte également à une cellule DBD amovible pour boîtier conforme à ce qui précède, comprenant :
- un tube électriquement et thermiquement conducteur,
- un élément conducteur maintenu à l'intérieur dudit tube par un bouchon supérieur en matériau diélectrique isolant, - une électrode génératrice de plasma reliée électriquement audit élément conducteur,
- un bouchon inférieur fermant l'autre extrémité dudit tube,
- des canaux de circulation de fluide de réactifs et de fluide de produits débouchant respectivement dans les parties supérieure et inférieure de ladite cellule, et
- au moins un élément tubulaire en matériau diélectrique disposé autour dudit élément conducteur et de ladite électrode génératrice de plasma et/ou contre la paroi interne dudit tube électriquement et thermiquement conducteur.
[0020] Grâce à ces caractéristiques, on obtient une cellule DBD de conception particulièrement simple, pouvant aisément être installée sur et retirée du boîtier susmentionné.
[0021] Suivant d'autres caractéristiques optionnelles de cette cellule réactionnelle, prises seules ou en combinaison :
[0022] - cette cellule comprend un support et un bouchon inférieur électriquement conducteurs reliés audit tube électriquement et thermiquement conducteur, aptes à coopérer de manière amovible avec les moyens de support formant masse d'alimentation électrique desdites cellules DBD ;
[0023] - ladite électrode génératrice de plasma présente un diamètre supérieur à celui dudit élément conducteur et est choisie dans le groupe comprenant un cylindre, une brosse à poils métalliques, un ressort, une couche conductrice métallique déposée à l'intérieur dudit au moins un élément tubulaire en matériau diélectrique : une telle électrode génératrice de plasma peut donc être réalisée très facilement et à bas coût, avec des éléments communément disponibles dans le commerce ;
[0024] - cette cellule est chargée d'un catalyseur disposé à l'intérieur dudit tube électriquement et thermiquement conducteur, en vis-à-vis de ladite électrode génératrice de plasma, et maintenu en place à l'intérieur de ce tube par deux fractions de matériau diélectrique de maintien disposées entre lesdits bouchons supérieur et inférieur, ledit catalyseur et ledit matériau diélectrique présentant une porosité ou des conduits permettant la circulation du fluide de réactifs à traiter : une tel agencement permet d'assurer de manière très simple le maintien du catalyseur à l'intérieur du tube électriquement et thermiquement conducteur, et de rendre très simple son remplacement.
[0025] La présente invention se rapporte également à un réacteur conforme à ce qui précède, comprenant au moins un boîtier équipé de cellules DBD amovibles conformes à ce qui précède : un tel réacteur, dans lequel les cellules DBD sont installées en parallèle, permet de traiter des débits importants de fluides de réactifs, ce qui le rend particulièrement adapté à une utilisation dans un contexte industriel.
[0026] De préférence, les cellules DBD amovibles de ce réacteur sont reliées entre elles par une alimentation électrique commune de génération de plasma.
[0027] La présente invention se rapporte également à l'utilisation d'un tel réacteur pour la mise en œuvre d'une réaction chimique choisie dans le groupe comprenant :
Table 1]
Figure imgf000008_0001
Figure imgf000009_0001
[0028] Brève description des dessins
[0029] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels:
[fig. 1] : la figure 1 illustre schématiquement, en coupe axiale, une cellule DBD amovible selon un mode de réalisation de l'invention, comprenant un tube électriquement et thermiquement conducteur et un seul matériau diélectrique interne sur la zone de décharge du plasma de l'électrode ;
[fig. 2] : la figure 2 illustre schématiquement, en coupe axiale, une cellule DBD amovible selon un autre mode de réalisation de l'invention, comprenant un tube électriquement et thermiquement conducteur et deux matériaux diélectriques, disposés respectivement sur la zone de décharge du plasma de l'électrode et à l'intérieur du tube ;
[fig. 3] : la figure 3 illustre schématiquement, en coupe axiale, une cellule DBD amovible selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, comprenant un tube électriquement et thermiquement conducteur et un seul matériau diélectrique à l'intérieur du tube ;
[fig. 4] : la figure 4 illustre schématiquement, en coupe axiale, une cellule DBD amovible fixée, selon un mode de réalisation de l'invention, entre les deux platines du boîtier d'un réacteur à circulation de fluide caloporteur ;
[fig. 5] : la figure 5 illustre schématiquement, en coupe axiale des cellules DBD, les deux platines du boîtier de réacteur avec un emplacement vide, une cellule DBD amovible en cours d'insertion et une cellule DBD amovible fixée, selon un mode de réalisation de l'invention ;
[fig. 6] : la figure 6 illustre schématiquement, en coupe axiale des cellules DBD, trois cellules DBD amovibles fixées sur les platines du boîtier de réacteur avec leurs électrodes reliées entre elle par le réseau de connecteurs haute tension ;
[fig. 7] : la figure 7 illustre schématiquement, en perspective et avec effet de transparence, une cellule DBD amovible selon l'invention ;
[fig. 8] : la figure 8 illustre schématiquement et en perspective un boîtier de réacteur selon l'invention, dont les couvercles supérieur et inférieur ont été retirés, afin d'observer l'aménagement des emplacements de fixation pour les cellules DBD amovibles sur les platines ;
[fig. 9] : la figure 9 illustre schématiquement et en perspective un boîtier de réacteur selon l'invention, dont les couvercles supérieur et inférieur ont été installés, afin d'observer un mode de réalisation des conduits d'entrée et de sortie des fluides de réactifs/produits et caloporteur ;
[fig. 10] : la figure 10 illustre schématiquement une coupe verticale d'un ensemble de réacteur selon l'invention en fonctionnement, prise selon l'axe des conduits d'entrée et de sortie des fluides réactifs/produits, montrant la variation de la vitesse d'écoulement, et donc de la bonne répartition entre chaque cellule DBD, des fluides réactifs et produits à travers les cellules DBD amovibles depuis le conduit d'entrée des fluides réactifs jusqu'à la sortie des fluides produits par le conduit de sortie ;
[fig. 11] : la figure 11 illustre schématiquement une coupe verticale analogue à celle de la figure 10, montrant la variation de la pression du fluide de réactifs lors de son écoulement à travers les cellules DBD amovibles depuis le conduit d'entrée des fluides réactifs jusqu'à la sortie du fluide de produits par le conduit de sortie ;
[fig. 12] : la figure 12 est une vue de dessus, c'est-à-dire selon la direction Fr de la figure 9, du boîtier de réacteur selon l'invention, dont la platine supérieure a été ôtée afin d'observer le placement de chicanes internes permettant la bonne répartition du fluide caloporteur entre le réseau de canaux longitudinaux des cellules DBD amovibles ;
[fig. 13] : la figure 13 est une vue de dessus du réacteur en fonctionnement, indiquant la variation de la vitesse d'écoulement et donc la bonne répartition du fluide caloporteur autour des cellules DBD amovibles depuis le conduit d'entrée du fluide caloporteur jusqu'au conduit de sortie du fluide caloporteur ;
[fig. 14] : la figure 14, analogue à la figure 13, indique la variation de la température du fluide caloporteur autour des cellules DBD amovibles depuis le conduit d'entrée du fluide caloporteur jusqu'au conduit de sortie du fluide caloporteur ;
[fig. 15] : la figure 15, analogue aux figures 13 et 14, montre la variation de la pression du fluide caloporteur autour des cellules DBD amovibles depuis le conduit d'entrée du fluide caloporteur jusqu'au conduit de sortie du fluide caloporteur ;
[fig. 16] : la figure 16 illustre en coupe un autre mode de réalisation de boîtier de réacteur de l'invention, adapté aux réactions chimiques endothermiques, muni de moyens de chauffage électrique des cellules DBD ;
[fig. 17] : la figure 17 est une vue en perspective du boîtier de la figure 16 ;
[fig. 18] : la figure 18 est une vue en perspective sous un autre angle du boîtier des figures 16 et 17. [0030] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques ou similaires sur l'ensemble des figures.
[0031] On utilisera dans ce qui suit les termes « supérieur » et « inférieur » : ces termes doivent s'entendre uniquement par rapport à l'orientation des figures vis-à-vis des bords supérieur et inférieur des pages sur lesquelles ces figures sont représentées.
[0032] Définitions
[0033] Le terme « DBD - Décharge à Barrière Diélectrique » désigne, dans la présente invention, une décharge électrique créée entre deux éléments électriquement conducteurs séparés par un ou plusieurs éléments diélectriques.
[0034] Le terme « cellule DBD» désigne, dans la présente invention, un ensemble complet d'électrode, cathode, matériaux diélectriques, connecteur électrique, bouchons de fixation, avec de manière préférée mais non obligatoire un ou plusieurs catalyseur(s) et un ou plusieurs et matériau(x) de maintien du catalyseur, assemblés dans une cellule amovible qui sera fixée sur les platines du réacteur.
[0035] Le terme « fluide de réactifs » désigne, dans la présente invention, des molécules qui subiront une réaction chimique notamment par plasma-catalyse lors de leur passage à travers les cellules DBD du réacteur.
[0036] Le terme « fluide de produits » désigne, dans la présente invention, des molécules résultant de la réaction notamment de plasma-catalyse à l'intérieur des cellules DBD amovibles.
[0037] Le terme « fluide caloporteur » désigne, dans la présente invention, un fluide adapté au transport de chaleur entre deux sources de températures.
[0038] Le terme « chicane » désigne, dans la présente invention, des parois permettant une répartition homogène du fluide caloporteur autour des cellules DBD. [0039] Le terme « diélectrique » désigne, dans la présente invention, un matériau isolant électrique qui permet d'assurer une isolation électrique entre le réseau haute tension associé à l'électrode et le tube électriquement et thermiquement conducteur connecté à la masse via le réacteur. Ce type de matériau isolant électrique est également utilisé à l'intérieur de la cellule DBD afin de générer un plasma par Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) en favorisant l'accumulation de charge électrique entre l'électrode et la masse jusqu'à la tension de claquage et donc l'obtention d'un plasma.
[0040] Le terme « catalyseur » désigne, dans la présente invention, un matériau promouvant la réaction chimique des fluides de réactifs.
[0041] Le terme « électrode » désigne, dans la présente invention, un élément constitué de matériau électriquement conducteur inséré dans la cellule DBD et connecté au réseau haute tension qui permet de relier les cellules DBD entre elles vers la source du générateur haute tension.
[0042] Le terme « matériau de maintien du catalyseur » désigne, dans la présente invention, un élément constitué de matériau diélectrique inséré dans la cellule DBD qui permet de contenir le catalyseur dans la zone de décharge du plasma tout en laissant circuler le fluide réactif à travers lui-même.
[0043] Naturellement, l'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l'invention sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
[0044] Description des modes de réalisation
[0045] Les cellules DBD amovibles
[0046] La figure 1 illustre schématiquement une cellule DBD amovible C qui permet de mettre en œuvre une conversion chimique via un procédé de plasma-catalyse par DBD avec un seul élément diélectrique. Cette cellule comprend un élément conducteur 1 comprenant un connecteur haute tension 3 permettant la connexion de la cellule vers le réseau haute tension du réacteur, un support conducteur 4 permettant de relier et de maintenir le connecteur haute tension 3 à une électrode génératrice de plasma 5.
[0047] L'élément conducteur 1 matérialise la direction axiale de la cellule DBD.
[0048] L'électrode génératrice de plasma 5, dont le diamètre est plus important que le support conducteur 4, permet de concentrer les décharges DBD dans la zone située le long de cette électrode 5.
[0049] Cette électrode génératrice de plasma 5 peut comprendre des poils métalliques à la manière d'une brosse ou d'un goupillon. De manière alternative, elle peut se présenter sous la forme d'un ressort métallique ou d'un cylindre métallique.
[0050] L'élément conducteur 1 est placé à l'intérieur d'un élément en matériau diélectrique 7 de forme tubulaire, contre la paroi intérieure duquel l'électrode génératrice de plasma 5 prend appui, et qui va permettre de réaliser la DBD. Cet élément diélectrique 7 peut être constitué par exemple en verre, en céramique ou en alumine.
[0051] De manière alternative et sans doute préférée, on peut prévoir que le matériau diélectrique soit moulé sur l'ensemble de l'élément conducteur 1 et de l'électrode génératrice de plasma 5, comme pour une bougie de moteurthermique, et que ce matériau diélectrique remplisse tous les espaces vides, de manière à éviter l'apparition de phénomènes de plasma parasites.
[0052] Selon une variante possible, l'électrode génératrice de plasma peut être formée par une couche conductrice métallique déposée à l'intérieur de l'élément tubulaire en matériau diélectrique 7.
[0053] L'élément conducteur 1 est maintenu entre un bouchon supérieur 9 et un bouchon inférieur 11. Le bouchon supérieur 9 est constitué d'un matériau diélectrique isolant tel que du verre ou de la céramique et permet de maintenir et centrer l'élément conducteur 1 (dont le connecteur haute tension 3). Le bouchon inférieur 11 est constitué d'un matériau tel qu'un métal ou alliage métallique, ou une céramique. Dans le cas d'un alliage métallique, plus facile à usiner qu'une céramique, de l'inox 316L pourra être utilisé. [0054] Le bouchon supérieur 9 est fixé à un support métallique supérieur 13, lui-même fixé à un tube électriquement et thermiquement conducteur 15, définissant la paroi extérieure cylindrique de la cellule DBD amovible, réalisé de préférence en métal ou alliage métallique.
[0055] Le bouchon supérieur 9 permet de faire circuler le fluide de réactifs à travers un ou plusieurs canaux percés 17 ou autre structure poreuse permettant la circulation du fluide de réactifs. Le bouchon supérieur 9 permet également de contenir la fraction supérieure 19 d'un matériau de maintien du catalyseur 21, disposée dans la partie supérieure du tube 15.
[0056] Le bouchon inférieur 11 permet de faire circuler le fluide de réactifs à travers un ou plusieurs canaux percés 23 ou autre structure poreuse permettant la circulation du fluide de réactifs. Le bouchon inférieur 11 permet également de contenir la fraction inférieure 25 d'un matériau de maintien du catalyseur 21, disposée dans la partie inférieure du tube 15.
[0057] La fraction supérieure 19 du matériau de maintien du catalyseur 21 et la fraction inférieure 25 du matériau de maintien du catalyseur 21 permettent de maintenir le catalyseur 21 dans la zone de décharge du plasma par DBD, en vis-à-vis de l'électrode génératrice de plasma 5.
[0058] Les fractions supérieure 19 et inférieure 25 de matériau de maintien du catalyseur et le catalyseur 21, permettent le passage du fluide de réactifs grâce à leur caractère perméable. Ils sont contenus à l'intérieur du tube électriquement et thermiquement conducteur 15 et maintenus par les bouchons supérieur 9 et inférieur 11.
[0059] Le matériau de maintien du catalyseur peut typiquement comprendre des billes de verre ou de quartz ou de céramique, ou encore un matériau de verre fritté, dont le diamètre sera choisi de manière à empêcher les grains de catalyseur de s'échapper dans les espaces inter-billes. A titre d'exemple, pour des grains de catalyseur de diamètre 0,5 mm, on choisira des billes de matériau de maintien de diamètre 1 mm. [0060] Le catalyseur 21, situé dans la zone de décharge du plasma par DBD en vis-à-vis de l'électrode génératrice de plasma 5, va permettre de réaliser une conversion chimique du fluide de réactifs.
[0061] A titre indicatif et non limitatif, le tube électriquement et thermiquement conducteur 15 peut présenter un diamètre qui ne dépasse pas le diamètre de l'électrode génératrice de plasma 5 de l'élément conducteur 1 de 3 cm, et préférentiellement de 2 cm. La longueur de ce tube 15 est par ailleurs typiquement inférieure à 30 cm.
[0062] La figure 2 illustre un autre mode de réalisation d'une cellule DBD amovible selon l'invention.
[0063] Ce mode de réalisation diffère du précédent en ceci qu'un second élément diélectrique 27 de forme tubulaire, contenant les deux fractions 19, 25 de matériau de maintien et le catalyseur 21, est disposé contre la paroi interne du tube électriquement et thermiquement conducteur 15.
[0064] Ce mode de réalisation permet donc de mettre en œuvre une conversion chimique via un procédé de plasma-catalyse par DBD avec deux éléments diélectriques 7, 27.
[0065] La figure 3 illustre encore un autre mode de réalisation d'une cellule DBD amovible selon l'invention.
[0066] Ce mode de réalisation diffère du précédent en ceci que l'élément conducteur 1 n'est plus placé à l'intérieur d'un élément diélectrique tubulaire 7. Seul le support conducteur 4 est enrobé d'un matériau diélectrique, et un élément de centrage 29 en matériau diélectrique est interposé entre l'électrode génératrice de plasma 5 et le bouchon inférieur 11. En revanche, dans ce mode de réalisation, il n'y a pas d'élément diélectrique autour de l'électrode génératrice de plasma 5.
[0067] Le mode de réalisation de la figure 3, dans lequel l'électrode génératrice de plasma 5 est à nu, permet de diminuer la tension de claquage, de favoriser l'échange thermique entre l'électrode génératrice de plasma 5 et l'extérieur de la cellule catalytique et d'augmenter la quantité de catalyseur 21 qu'il est possible d'intégrer, toutes les dimensions étant égales par ailleurs.
[0068] Dans les modes de réalisation des figures 1 à 3, on a représenté un catalyseur 21 disposé à l'intérieur du tube 15, mais l'invention concerne aussi certaines applications dans lesquelles on souhaite réaliser de la DBD sans catalyseur.
[0069] La figure 4 illustre schématiquement une cellule DBD amovible C, conforme par exemple au premier mode de réalisation ci-dessus, qui est fixée sur les platines supérieure 31 et inférieure 33 d'un boîtier de réacteur selon l'invention.
[0070] Les platines 31 et 33, qui forment des éléments de support fixes, peuvent être réalisées par exemple en acier inoxydable de nuance 316L, et sont percées à de multiples endroits afin de permettre la mise en place amovible d'une pluralité de cellules DBD C parallèlement les unes aux autres. Le fluide de réactifs circule du haut vers le bas, comme indiqué par la flèche Fr de la figure 4, à travers la cellule DBD amovible C, tandis qu'un fluide caloporteur circule autour du tube électriquement et thermiquement conducteur 15 de la cellule DBD et entre les deux platines 31 et 33, comme indiqué par la flèche Fc. La circulation du fluide caloporteur permet le fonctionnement d'un réacteur isothermique.
[0071] L'installation des cellules DBD amovibles sur les platines 31, 33 du boîtier du réacteur s'effectue lorsque le fluide caloporteur est purgé. La figure 5 illustre schématiquement l'installation de cellules DBD Cl, C2 entre les platines supérieure 31 et inférieures 33 du boîtier du réacteur. Sur la partie de gauche de la figure 5, un emplacement vide est illustré : cet emplacement est formé par deux alésages 35, 37 formés respectivement dans les platines supérieure 31 et inférieure 33 du boîtier du réacteur. Sur la partie centrale de la figure 5, une cellule DBD amovible Cl est en cours d'insertion dans un emplacement libre. Sur la partie de droite de la figure 5, une cellule DBD amovible C2 est fixée : le support métallique 13 de chaque cellule C est maintenu dans l'alésage 35 correspondant de la platine supérieure 31, et le bouchon inférieur 11 de chaque cellule C est maintenu dans l'alésage correspondant 37 de la platine inférieure 33. [0072] La figure 6 illustre schématiquement une interconnexion électrique des éléments conducteurs 1 : lorsque toutes les cellules DBD amovibles Cl, C2, C3... sont installées entre les 2 platines 31 et 33, leurs éléments conducteurs 1 sont connectés au réseau haute tension via un réseau de câbles électriques 38.
[0073] Comme on l'aura compris à la lumière de la description qui précède, les cellules DBD amovibles C peuvent être préparées et assemblées dans un endroit dédié, avant d'être déplacées puis installées facilement dans le boîtier du réacteur DBD, sans démontage des platines 31, 33. Elles permettent également une maintenance et un remplacement facile. Le tube 15 électriquement et thermiquement conducteur permet un échange de flux thermique du réacteur isotherme.
[0074] Les éléments conducteurs 1 de chaque cellule DBD amovible C constituent les anodes de ces cellules, les cathodes étant constituées par les tubes électriquement et thermiquement conducteurs 15 de ces cellules, qui sont reliés électriquement à la masse du boîtier B du réacteur par l'intermédiaire du support métallique supérieur 13, et du bouchon inférieur électriquement et thermiquement conducteur 11, eux-mêmes reliés électriquement aux platines 31 et 33 formant masse d'alimentation électrique des cellules DBD.
[0075] Le réacteur de conversion par plasma-catalyse isotherme
[0076] Les cellules DBD amovibles C, dont l'une est représentée en perspective à la figure 7, sont mises en œuvre dans un boîtier de réacteur isotherme B comme illustré schématiquement dans la figure 8. Les cellules DBD C sont parallélisées en étant installées dans les alésages 35 de la platine supérieure 31, et dans les alésages correspondants (non visibles sur la figure 8) de la platine inférieure du boîtier B.
[0077] Une prise haute tension (non représentée) reliée de manière étanche au réseau de câbles électriques 38 permet de fournir aux cellules DBD amovibles un signal en tension, fréquence et puissance souhaitées en fonction des réactions que l'on souhaite mettre en œuvre dans le réacteur. [0078] Une fois fermé de manière étanche par des couvercles 39, 40 fixés par vissage sur des brides supérieure 41 et inférieure 43 du boîtier B, on obtient un réacteur permettant :
- d'une part le passage du fluide de réactifs dans les cellules DBD disposées à l'intérieur du boîtier, entre une entrée 45 du fluide de réactifs et une sortie 47 du fluide de produits, selon la direction principale Fr représentée aux figures 9 à 11 (selon une autre variante possible, l'entrée 45 et la sortie 47 pourraient être situées sur les côtés du boîtier B), et
- d'autre part le passage de fluide caloporteur autour des cellules DBD sans être en contact avec le fluide réactif, dans l'espace situé entre les platines supérieure 31 et inférieure 33 du boîtier de réacteur, entre une entrée 49 et une sortie 51 de fluide caloporteur, selon la direction principale Fc représentée aux figures 9 et 12 à 15.
[0079] Distribution des fluides réactifs
[0080] Le réacteur selon l'invention permet l'utilisation d'une ou plusieurs cellules DBD disposées parallèlement les unes aux autres et permet une bonne distribution du fluide de réactifs entre les cellules principalement grâce à la perte de charge induite par le passage du fluide de réactifs à travers les différents éléments de la cellule DBD amovible. Une perte de charge va permettre d'éviter un chemin préférentiel déterminé par la vitesse initiale du fluide dans le conduit d'entrée 45 de par l'énergie cinétique du fluide, et au contraire permettre de répartir le fluide dans toutes les cellules dont l'écoulement homogène dans chaque cellule sera établi par l'équilibre entre débit et perte de charge de chaque cellule.
[0081] En d'autres termes, le compartiment du réacteur dédié à l'écoulement du fluide de réactifs contient un réseau de cellules DBD dans lesquelles le fluide s'écoule jusqu'à la sortie du réacteur, la perte de charge dans chacune des cellules induite par la présence du catalyseur permettant une répartition homogène du fluide de réactifs dans chaque cellule mis en parallèle grâce à un phénomène d'équilibre entre débit de fluide et perte de charge associée. [0082] La figure 10 illustre schématiquement une coupe verticale du réacteur selon l'invention, c'est-à-dire prise selon le plan PI de la figure 9, permettant d'observer la vitesse 53 et la bonne répartition du fluide de réactifs entre l'entrée 45 et la sortie 47 dans toutes les cellules DBD C grâce à leurs pertes de charge respectives.
[0083] La figure 11 permet d'observer les lignes isobares 55 et la bonne répartition du fluide de réactifs entre l'entrée 45 et la sortie 47 dans toutes les cellules DBD C grâce à leurs pertes de charge respectives.
[0084] Pour éviter les phénomènes de résonnance lors de l'utilisation de nombreuses cellules DBD, un réseau de cellules non-symétrique peut être mis en place avec un nombre plus important de cellule d'un côté du réacteur sans nuire à la bonne répartition du fluide de réactifs.
[0085] Distribution du fluide caloporteur
[0086] Le réacteur selon l'invention permet l'utilisation d'une ou plusieurs cellules DBD disposées parallèlement les unes aux autres.
[0087] Le compartiment du réacteur dédié à l'écoulement de fluide caloporteur contient un agencement de parois permettant la bonne répartition du fluide caloporteur à travers toutes les cellules ; plus précisément, on prévoit des chicanes afin de garantir un passage du fluide caloporteur à travers le réseau de cellules pa ra I lélisées.
[0088] Les chicanes sont idéalement situées par rapport aux cellules DBD à une distance équivalente à la distance qui sépare les cellules DBD entre elles. Les chicanes reproduisent également la forme du réseau de cellules pour éviter tout chemin préférentiel.
[0089] La figure 12 illustre schématiquement une vue de dessus du boîtier B de réacteur avec la présence de chicanes 57 situées idéalement le long du réseau de cellules DBD C. La circulation de fluide caloporteur s'effectue entre l'entrée 49 et la sortie 51 à travers le réseau de cellules DBD C et entre les parois latérales 59 et les platines 31, 33 du boîtier B. [0090] Les cellules DBD C et les chicanes 57 sont préférentiellement agencées de manière à définir un réseau de canaux de circulation du fluide caloporteur présentant une forme générale hexagonale, comme visible à la figure 12, ces canaux s'étendant selon une direction sensiblement perpendiculaire aux axes des cellules DBD C.
[0091] La figure 13 permet d'observer la vitesse 61 du fluide caloporteur dans tout le réseau de cellules C entre l'entrée 49, la sortie 51 et les chicanes 57 : comme on peut le voir sur cette figure, cette vitesse est répartie de manière sensiblement uniforme à l'intérieur du volume défini par le boîtier B du réacteur.
[0092] La figure 14 permet d'observer le gradient température 62 du fluide caloporteur dans tout le réseau de cellules C entre l'entrée 49, la sortie 51 et les chicanes 57.
[0093] La figure 15 permet d'observer le gradient de pression 63 du fluide caloporteur dans tout le réseau de cellules C entre l'entrée 49, la sortie 51 et les chicanes 57.
[0094] L'écoulement des fluides de réactifs et de produits et du fluide caloporteur ne sont pas influencés par l'agencement des entrées et sorties du réacteur mais par la disposition des chicanes pour le fluide caloporteur et par la perte de charge pour les fluides de réactifs et de produits (permettant une distribution homogène).
[0095] Mode de réalisation à chauffage électrique
[0096] Dans le cas des réactions chimiques endothermiques, il convient de chauffer les cellules DBD, typiquement à plusieurs centaines de degrés Celsius : dans ce cas, l'utilisation d'un fluide caloporteur tel que de l'huile n'est pas appropriée.
[0097] On envisage alors une solution de chauffage électrique des cellules DBD, illustrée par les figures 16 à 18 ci annexées.
[0098] Comme on peut le voir sur ces figures, le boîtier B comprend une nourrice d'alimentation en fluide de réactifs 67, et une nourrice de sortie de fluide de produits 69, ces nourrices étant électriquement conductrices. [0099] Ces nourrices 67, 69 sont reliées respectivement à chacune des cellules DBD Cl, C2, C3... par des conduits d'entrée 71 et de sortie 73 électriquement conducteurs disposés respectivement dans le support supérieur 13 et dans le bouchon inférieur 11 de chaque cellule.
[00100] Des moyens de raccord, tels que des raccords commercialisés sous les marques Swagelok ou Fitok, permettent de relier de manière amovible les conduits d'entrée 71 et de sortie 73 de chaque cellule DBD Cl, C2, C3... respectivement aux nourrices d'alimentation 67 et de sortie 69.
[00101] Des manchons électriques chauffants 75 et isolés thermiquement enveloppent chaque cellule DBD, et sont alimentés par des câbles électriques 77 ; des thermorégulateurs et des thermocouples permettent de contrôler la température de ces manchons chauffants 75.
[00102] Dans ce mode de réalisation, les nourrices d'alimentation 67 et de sortie 69 forment des éléments de support pour les cellules DBD Cl, C2, C3...
[00103] Ces éléments de support électriquement conducteurs forment la masse d'alimentation électrique de ces cellules DBD une fois qu'ils sont reliés à celles-ci par les conduits d'entrée 71 et de sortie 73 électriquement conducteurs de chaque cellule, eux- mêmes reliés électriquement au tube électriquement et thermiquement conducteur 15 de chaque cellule.
[00104] Ce mode de réalisation permet une bonne distribution du fluide de réactifs dans les cellules DBD, et un contrôle de température fin grâce aux manchons de chauffage individuels et à la régulation de température par air ventilé à l'intérieur du boîtier.
[00105] La mise en place des cellules DBD s'effectue de manière très simple, sans qu'aucune opération de démontage des nourrices d'alimentation et de sortie soit nécessaire : une simple connexion des conduits d'entrée et de sortie de chaque cellule DBD à ces nourrices d'alimentation et de sortie grâce au système de raccord, permet de relier électriquement et fluidiquement ces cellules DBD à ces nourrices. [00106] Exemples
[00107] Le réacteur à cellules DBD amovibles qui vient d'être décrit peut très utilement et efficacement être utilisé pour les réactions suivantes :
[Table 2]
Figure imgf000023_0001
Figure imgf000024_0001

Claims

23
REVENDICATIONS Boîtier pour réacteur à décharge à barrière diélectrique (DBD) notamment par plasma-catalyse, comprenant des éléments de support fixes (31, 33 ; 67, 69) et une pluralité de cellules DBD (Cl, C2, C3...) aptes à être installées sur lesdits éléments de support (31, 33 ; 67, 69) sans démontage de ces éléments de support. Boîtier (B) selon la revendication 1, comprenant une entrée (45) de fluide de réactifs, une sortie (47) de fluide de produits, et une entrée (49) et une sortie (51) de fluide caloporteur, lesdits moyens de support comprenant deux platines (31, 33) munies d'alésages (35, 37) aptes à recevoir lesdites cellules DBD (Cl, C2, C3...) de manière amovible. Boîtier (B) selon la revendication 2, dans lequel lesdites entrées (45, 49) et sorties (47, 51) sont disposées de manière à permettre des écoulements desdits fluides de réactifs/produits et dudit fluide caloporteur selon des directions (Fr, Fc) sensiblement et respectivement parallèles et perpendiculaires aux axes desdites cellules DBD (Cl, C2, C3...). Boîtier (B) selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel ledit boîtier (B) comprend, dans le compartiment de circulation du fluide caloporteur, des chicanes (57) disposées de sorte à être séparées desdites cellules DBD (Cl, C2, C3...) d'une distance sensiblement égale à celle séparant lesdites cellules DBD (Cl, C2, C3...) entre elles. Boîtier (B) selon la revendication 1, comprenant une nourrice d'entrée de fluide de réactifs (67), une nourrice de sortie de fluide de produits (69), ces nourrices étant munies de moyens de raccord auxdites cellules DBD (Cl, C2, C3...), ces nourrices (67, 69) formant les moyens de support desdites cellules DBD, des moyens de chauffage électrique (75) desdites cellules DBD étant en outre prévus. Boîtier (B) selon la revendication 5, dans lequel lesdits moyens de chauffage électrique comprennent des manchons chauffants (75) entourant chaque cellule DBD (Cl, C2, C3...). Boîtier (B) selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel lesdits moyens de support (31, 33 ; 67, 69) forment la masse d'alimentation électrique desdites cellules DBD (Cl, C2, C3...). Cellule DBD amovible (C) pour boîtier selon l'une quelconque des revendications 2 à
7, comprenant : un tube électriquement et thermiquement conducteur (15),
- un élément conducteur (1), maintenu à l'intérieur dudit tube (15) par un bouchon (9) supérieur en matériau diélectrique isolant,
- une électrode génératrice de plasma (5) reliée électriquement audit élément conducteur (1),
- un bouchon inférieur (11) fermant l'autre extrémité dudit tube (15), ,
- des canaux (17, 23) de circulation de fluide de réactifs et de fluide de produits débouchant respectivement dans les parties supérieure et inférieure de ladite cellule, et
- au moins un élément tubulaire en matériau diélectrique (7, 27) disposé autour dudit élément conducteur (1) et de ladite électrode génératrice de plasma (5) et/ou contre la paroi interne dudit tube électriquement et thermiquement conducteur (15). Cellule DBD (C) selon la revendication 8 pour boîtier selon la revendication 7, comprenant un support (13) et un bouchon inférieur (11) électriquement conducteurs reliés audit tube électriquement et thermiquement conducteur (15), aptes à coopérer de manière amovible avec les moyens de support (31, 33 ; 67, 69) formant masse d'alimentation électrique desdites cellules DBD (Cl, C2, C3...). Cellule DBD (C) selon l'une des revendications 8 ou 9, dans laquelle ladite électrode génératrice de plasma (5) présente un diamètre supérieur à celui dudit élément conducteur (1) et est choisie dans le groupe comprenant un cylindre, une brosse à poils métalliques, un ressort, une couche conductrice métallique déposée à l'intérieur dudit au moins un élément tubulaire en matériau diélectrique (7). Cellule DBD amovible (C) selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, chargée d'un catalyseur (21) disposé à l'intérieur dudit tube électriquement et thermiquement conducteur (15), en vis-à-vis de ladite électrode génératrice de plasma (5), et maintenu en place à l'intérieur de ce tube par deux fractions de matériau diélectrique (19, 25) de maintien disposées entre lesdits bouchons supérieur (9) et inférieur (11), ledit catalyseur (21) et ledit matériau diélectrique présentant une porosité ou des conduits permettant la circulation des fluides de réactifs à traiter. Réacteur comprenant au moins un boîtier (B) conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 7 équipé de cellules DBD amovibles (Cl, C2, C3...) conformes à l'une quelconque des revendications 8 à 11. Réacteur selon la revendication 12, dans lequel les cellules DBD amovibles (Cl, C2, C3...) sont reliées entre elles par une alimentation électrique (38) de génération de plasma. Utilisation d'un réacteur selon l'une des revendications 12 ou 13 pour la mise en œuvre d'une réaction chimique choisie dans le groupe comprenant :
26
[Table 3]
Figure imgf000028_0001
Figure imgf000029_0001
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