DOMAINE DE L'INVENTION

L'invention appartient au domaine de la séparation des gaz, et de manière générale, d'entités chimiques simples, pour l'éventuelle synthèse subséquente de gaz.

Elle s'inscrit plus particulièrement dans le domaine de la genèse de gaz hydrogène H ₂ , molécule de plus en plus recherchée, notamment en tant que carburant, et de manière générale dans le domaine de la chimie organique. L'invention ne se limite pas pour autant à la production du seul hydrogène.

ETAT ANTÉRIEUR DE LA TECHNIQUE

Différentes technologies sont aujourd'hui bien connues et maîtrisées pour assurer la séparation de corps chimiques complexes et pour notamment produire de l'hydrogène.

Parmi celles-ci, figure l'électrolyse, notamment de l'eau pour la production d'hydrogène. Si cette technologie est aujourd'hui largement maîtrisée, elle présente en revanche un inconvénient rédhibitoire, à savoir un rendement énergétique peu élevé. En outre, l'électrolyse ne permet d'assurer la séparation que de deux corps, respectivement à l'anode et à la cathode. Une variante de l'électrolyse concerne l'électrolyse dite « haute température », qui présente l'avantage d'un rendement énergétique supérieur à l'électrolyse classique basse température. Cette technologie n'est cependant pas aujourd'hui réellement maîtrisée sur le plan industriel, principalement en raison de fuites au niveau des électrodes liées à la dilatation différentielle entre les éléments isolants et les électrodes. Une autre technologie de séparation consiste dans la mise en œuvre de membranes poreuses. Si sur le plan qualitatif, on aboutit à une séparation satisfaisante, en revanche, les procédés mis en œuvres sont lents, peu performants, et présentent un rendement énergétique faible. Au demeurant, la membrane est traditionnellement dédiée à un seul produit.

Enfin et s'agissant de la production d'hydrogène, on connaît le craquage du méthane, qui aujourd'hui constitue l'une des principales sources de production. Outre les difficultés de réalisation sur le plan industriel, cette technologie s'avère relativement polluante et de rendement énergétique également faible.

En résumé, il n'existe pas à ce jour de procédé permettant d'assurer simultanément une séparation qualitative de corps complexes ou de mélanges de corps simples en éléments simples avec un rendement énergétique optimisé et dans des conditions industrielles satisfaisantes.

C'est l'objet de la présente invention.

EXPOSE DE L'INVENTION L'invention vise tout d'abord un procédé pour réaliser la séparation d'entités chimiques simples, chargées ou non chargées, à partir de corps chimiquement complexes ou à partir de mélanges de corps simples. Ce procédé consiste à injecter le ou les corps chimiquement complexes ou le mélange de corps simples dans une torche à plasma, et à soumettre le plasma à l'action d'un champ magnétique, dont les lignes de champ sont globalement perpendiculaires à la direction du jet plasma.

Le procédé selon l'invention permet de fonctionner à pression atmosphérique ou à des pressions supérieures. Ce faisant, la torche à plasma induit, en raison de son apport énergétique résultant de la chaleur qu'elle génère, typiquement entre 4000 et 25000 °C, la séparation effective des entités constituant le mélange de corps simples ou le corps complexe, typiquement en atomes ou en ions, et le champ magnétique en sortie de la torche agit sur les espèces chargées par application des forces de Lorentz, induisant leur décalage par rapport à la direction du jet plasma, susceptible ainsi de permettre la réception des différentes entités en des lieux différents.

En outre, on observe également la séparation des espèces non chargées, et donc non soumises à la force de Lorentz en raison des différences de viscosité entre espèces chargées (ions, électrons) et non chargées (molécules, atomes neutres), engendrant des frottements qui vont induire une telle séparation.

Selon divers modes de réalisation de l'invention :

la distance séparant les deux électrodes générant le plasma au sein de la torche à plasma peut être réglable ;

l'une desdites électrodes présente une zone en forme de cône inversé par rapport au sens de propagation des fluides ;

la longueur du jet plasma peut être réglable.

En outre, et selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, il peut être envisagé de monter plusieurs des dispositifs de séparation de l'invention en série, de telle sorte à optimiser le degré de séparation des corps simples que l'on entend obtenir, et partant, optimiser la pureté susceptible d'en résulter. Ainsi donc, au moins l'une des entités résultant de la séparation par plasma thermique au niveau d'un premier étage, est récupérée en sortie dudit premier étage, et réintroduite dans une nouvelle torche à plasma d'un second étage, de mêmes caractéristiques ou de caractéristiques différentes de celle du premier étage.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent, ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une représentation schématique du principe général de fonctionnement du dispositif de séparation conforme à l'invention.

La figure 2 est une figure analogue à la figure 1 , le dispositif mettant en œuvre une torche à plasma à électrodes multiples.

La figure 3 illustre le montage en série de deux dispositifs conformes aux figures 1 ou 2. La figure 4 est synoptique des forces appliquées sur le jet plasma, conformément à l'invention.

La figure 5 est un graphe symbolisant la variation de la viscosité dynamique partielle et totale d'un plasma d'eau en fonction de la température.

La figure 6 est un graphe représentant le coefficient d'émission volumique des espèces chimiques O, H et Ar à une hauteur de 20 mm au dessus de la torche plasma et soumis à un champ magnétique radial de l'ordre de 40 milliTesla.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION

On a schématiquement représenté au sein de la figure 1 un dispositif mettant en œuvre le principe de fonctionnement du procédé de l'invention.

Fondamentalement, celui-ci se compose d'une torche à plasma (1), en l'espèce constituée de deux électrodes (la) et (lb), isolées électriquement l'une de l'autre, notamment par une pièce (10) réalisée en un matériau isolant.

Entre les deux électrodes, est ménagée une chambre (11), au sein de laquelle aboutit par des canalisations permettant de générer un vortex(12), le mélange, soit de corps simples, soit de corps complexes que l'on souhaite séparer.

Plus précisément, et selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ce mélange débouche dans la chambre (11) sous forme de vapeur, cette vaporisation intervenant au niveau d'un vaporisateur (2), intégrant par exemple un échangeur de chaleur (13) apte à élever la température au sein du vaporisateur (2), et ainsi induire le changement de phase du mélange à séparer. Les caractéristiques du plasma, et notamment sa température sont régulées par l'alimentation électrique des électrodes, et plus particulièrement par la tension à leurs bornes. En courant continu, le point de fonctionnement de la torche à plasma est choisi de manière à disposer d'un fonctionnement stable de la torche, résultant d'un compromis entre la droite de charge de l'alimentation électrique et de la courbe caractéristique tension-courant de l'arc électrique qui dépend essentiellement des propriétés physiques du plasma qui le compose.

En courant alternatif, soit on peut choisir un fonctionnement à deux phases, une électrode jouant successivement le rôle de cathode et d'anode, soit on choisit un fonctionnement multi électrodes dans le cas d'un fonctionnement multi-phases. La variation de tension va engendrer des variations des caractéristiques de l'arc (tension d'arc, longueur d'arc, densité de courant) qui vont engendrer à leur tour une variation des caractéristiques du plasma (température, composition chimique principalement)

Pour obtenir la même qualité de plasma pour une pression donnée, soit on stabilise en courant et on joue alors sur la tension, soit on régule en tension et on joue alors sur le courant.

Entre les électrodes est donc ainsi généré un arc électrique, qui va transformer, de manière connue, le gaz circulant à ce niveau en le transformant en plasma.

Les caractéristiques de ce plasma sont susceptibles de résulter de la distance séparant les deux électrodes, puisqu'aussi bien de celle-ci dépendent l'intensité et la tension de l'arc électrique. Selon une forme particulière de réalisation de l'invention, on peut envisager la mise en œuvre d'une pluralité de l'un des types d'électrodes, tel qu'illustré sur la figure 2. Au sein de cette figure, la torche à plasma comporte non pas une, mais trois anodes (lb), réparties sensiblement symétriquement par rapport à la direction de diffusion du plasma.

La mise en œuvre d'électrodes multiples permet de générer des arcs électriques de qualité différente de celle d'un arc simple, à savoir, tension d'arc, densité de courant, longueur, qui vont également jouer sur l'« accroche » de l'arc et donc sur l'usure de la cathode. Cependant, elles produisent une qualité de plasma utile à la séparation.

Ainsi, combiné avec une tension alternative à phases multiples, on peut générer des arcs électriques tournant au sein de la torche à plasma, permettant de davantage maîtriser la fréquence de rotation de la tache anodique et de la tache cathodique, c'est-à-dire des points d'accrochage respectif de l'arc électrique sur l'anode et sur la cathode, et donc corollairement, de limiter ou de ralentir l'usure des pièces correspondantes de la torche.

Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le dispositif de séparation intègre un générateur de champ magnétique (4), les lignes de champ actives étant celles qui sont orientées sensiblement perpendiculairement au sens de propagation du plasma. Dans l'exemple décrit, ce générateur de champ magnétique est constitué d'une bobine alimentée en courant continu ou en courant alternatif par des fils (8a) et (8b).

On pourrait cependant concevoir que ce générateur de champ magnétique est constitué d'un aimant permanent correctement orienté, et par exemple circulaire, dès lors qu'il génère un champ magnétique radial par rapport à la direction du jet plasma.

Dans le cas de la mise en œuvre d'un générateur de champ magnétique constitué par une bobine, tel qu'illustré sur les figures 1 à 3, il peut être envisagé de régler l'intensité du champ magnétique généré en jouant sur l'intensité du courant électrique parcourant ladite bobine. En outre, le courant électrique alimentant ladite bobine peut être de nature variable, et l'intensité dudit courant peut être asservie ou harmonisée avec celui alimentant les électrodes de la torche à plasma, dans l'objectif d'optimiser la séparation des espèces contenues dans le plasma, ou de sélectionner de manière plus précise telle ou telle entité ou espèce.

Toujours dans le même objectif, on peut sélectionner également la forme des signaux électriques. De fait, et par une combinaison de ces différentes caractéristiques liées aux signaux électriques alimentant la torche à plasma et la bobine générant un champ magnétique, il est possible de générer un plasma, dont les caractéristiques physiques prédéterminent l'intensité du champ magnétique utile à la bonne séparation des espèces chimiques d'un mélange de corps simples ou d'un corps complexe.

Si la puissance injectée dans la torche diminue, la température diminue, la concentration des espèces ionisées diminue également. Ainsi, d'après la loi de Lorentz, afin d'obtenir la même force, il est donc nécessaire d'augmenter l'intensité du champ magnétique pour appliquer une force suffisante afin de garantir une séparation au même lieu.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la géométrie interne de la torche (la) présente une forme tronconique inversée par rapport au sens de déplacement du fluide à séparer, ou dit de manière équivalent, selon le sens de jet du plasma, c'est-à-dire que la base du tronc de cône est située immédiatement à proximité de la chambre (1 1), et l'extrémité opposée, de diamètre plus réduit, est située au voisinage de la sortie de la torche à plasma. Cette conformation particulière permet de s'assurer du passage du maximum de gaz dans le plasma, de stabiliser l'arc électrique assurant une bonne stabilité électrique, et si de la condensation apparaît, d'éviter d'éteindre l'arc. En outre, cette zone particulière de l'électrode en forme de tronc de cône (5) est pourvue d'un échangeur de chaleur, typiquement constitué d'une canalisation (3) enroulée à la périphérie de la cloison la définissant, et dans laquelle circule un fluide caloporteur, et notamment de l'eau.

Cet échangeur de chaleur (3) permet tout d'abord à la pièce en question de supporter la température très élevée générée par le plasma. En outre, il a pour vocation de récupérer ainsi une partie de l'énergie générée par la torche à plasma et l'acheminer par exemple au niveau d'un générateur de vapeur (non représenté) apte à actionner une turbine et donc à générer de l'électricité, ou au niveau de l'échangeur de chaleur (13) ménagé au sein du vaporisateur (2), pour, comme déjà indiqué, augmenter la température du mélange à séparer, et notamment induire sa vaporisation.

Certaines autres pièces constitutives de la torche à plasma peuvent également être munies de tels échangeurs de chaleur. C'est par exemple le cas de la ou des électrodes (lb), munie d'un tel échangeur (14).

Le fonctionnement du dispositif va être décrit ci-après. En raison de l'action de la torche à plasma thermique sur le mélange de corps simples ou sur le corps complexe introduits dans la chambre (1 1), différentes entités vont être créées puis séparées, et en l'espèce :

des entités atomiques, donc non chargées d'une part, et

des entités chargées d'autre part outre des électrons.

Ainsi donc, si de la vapeur d'eau est introduite dans la chambre (11), il va être généré majoritairement à la température de fonctionnement optimum, et typiquement à 6000 K des atomes d'oxygène et d'hydrogène, ainsi que des espèces H ⁺ , 0 ⁺ , ainsi que des électrons. Ceci résulte par exemple d'une analyse par spectroscopie d'émission, la densité électronique pouvant aussi se déduire à partir de l'élargissement d'une raie spécifique d'hydrogène (Η _β ). A la sortie de la torche plasma, le jet plasma peut atteindre une vitesse de plusieurs centaines de m/s. Cette vitesse est réglable par la taille du trou de sortie des gaz et par le débit de vapeur pénétrant dans la chambre (11) de la torche plasma.

En présence d'un champ magnétique, les espèces chargées sont soumises aux forces de Lorentz.

En raison de la prédominance de la composante radiale du champ magnétique généré par le générateur de champ magnétique (8), les forces de Lorentz ont tendance à entraîner les entités chargées selon une configuration circulaire par rapport à l'axe du jet plasma.

On a représenté au sein de la figure 4 un synoptique des forces appliquées au jet plasma. Ce dernier a été symbolisé par un cylindre vertical, le flux étant dirigé vers le haut sur ladite figure. Outre les forces de Lorentz, il y a également lieu de prendre en considération le coefficient de viscosité dynamique partielle μ; relatif à chacune des espèces en présence. Celles-ci ont été symbolisées sur le graphe de la figure 5.

En revenant à la figure 4, la force extérieure est principalement due aux forces de Lorentz. La viscosité de l'hydrogène monoatomique est trois fois moindre que celle de l'oxygène à 6000 K. L'entité la moins visqueuse va donc rester au centre et la plus visqueuse sur les bords.

En d'autres termes, en fonction de la distance r par rapport à l'axe du jet plasma et pour une température donnée, les espèces dont la viscosité dynamique partielle est moindre sont en mesure de progresser plus loin. En outre, dans le cadre de la présente invention, où justement on cherche à séparer les espèces résultant de la pyrolyse par plasma, on peut jouer légèrement sur la longueur du jet plasma avec le diamètre du trou de sortie de la torche pour optimiser l'effet de séparation.

En effet, les espèces les moins visqueuses se déplacent plus vite et les espèces plus visqueuses se déplacent moins vite ; ce faisant, on retrouve les espèces les moins visqueuses plutôt au centre et les plus visqueuses plutôt à la périphérie. Pour améliorer ce type de séparation, il est possible de jouer avec la longueur de la flamme plasma.

L'invention vise à jouer sur cette séparation plus ou moins importante, pour au final être en mesure de récupérer les espèces indépendamment les unes des autres de manière la plus pure possible et, corrélativement, pouvoir générer, en raison des phénomènes de recombinaison observés entre les espèces ainsi séparées, notamment de l'hydrogène qui est susceptible de se recombiner pour former des molécules stables de dihydrogène H ₂ .

On a représenté en relation avec la figure 6 un test de séparation au moyen du dispositif de l'invention. Dans cet exemple particulier, il est mis en œuvre un champ magnétique radial d'environ 40 milli Tesla avec un plasma de mélange d'Argon, et de vapeur d'eau.

On observe à r = -10 mm (de l'axe du jet plasma) une forte émissivité de l'hydrogène mono-atomique H. En comparant avec le calcul théorique on obtient une concentration en Hydrogène de l'ordre de 80 % (pourcentage molaire). On démontre ainsi l'efficacité de la séparation résultant du dispositif de l'invention.

Après séparation, il y a alors lieu à collecte des entités ainsi séparées, en vue des objectifs recherchés. A cet effet, on a ainsi schématiquement représenté sur la figure 1 un organe récupérateur des espèces (6), disposant dans l'exemple décrit de deux zones de récupération différentes (9) reliées à l'organe (6) par le biais de canalisations (15). Chacune de ces deux zones (9) intègre un échangeur de chaleur (16), au niveau duquel est récupérée l'énergie résultant de la recombinaison exothermique des espèces provisoirement stockées.

La chaleur, et donc l'énergie ainsi récupérée par Γ échangeur de chaleur (16) est une nouvelle fois susceptible d'engendrer la genèse de vapeur, propre à alimenter des turbines et donc, générer de l'électricité.

On a représenté au niveau de la figure 3 le montage en série de deux dispositifs de la figure 1. Ainsi donc, on peut observer que le gaz généré au niveau de l'étage inférieur est réintroduit au niveau de la chambre (11) de l'étage supérieur, zone au niveau de laquelle il subit de nouveau l'action de la torche à plasma thermique. Ce faisant, on peut affiner la séparation des espèces constitutives, et donc optimiser le degré de pureté.

On conçoit tout l'intérêt du dispositif de l'invention.

Tout d'abord, il convient de souligner la synthèse facilitée et industrialisable d'entités chimiques, notamment l'hydrogène. Les différents éléments constitutifs d'un tel dispositif étant en outre refroidis, ils sont susceptibles de résister pendant des durées économiquement viables à la chaleur inhérente à la mise en œuvre de la technologie plasma.

En outre et surtout, en raison de la récupération de l'énergie par les différents échangeurs de chaleur dont sont pourvues un certain nombre de pièces constitutives du dispositif de l'invention, le bilan énergétique résultant de la production, par exemple d'hydrogène, s'avère très largement optimisé par rapport à ce que permettaient les dispositifs de l'art antérieur, qu'il s'agisse de l'électrolyse, des membranes ou encore du craquage.