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Title:
THERMOCHEMICAL REACTOR AND ASSOCIATED PROCESS FOR PRODUCING THERMAL ENERGY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/079360
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention targets a thermochemical reactor (20) comprising at least one heat transfer fluid inlet (21) and one heat transfer fluid outlet (22), at least one reactive fluid inlet (23) and one reactive fluid outlet (24), housings (25) for receiving solid reactant (26) that is capable of reacting with a reactive fluid and housings (27) for passage of heat transfer fluid, each housing (25, 27) comprising at least one inlet and at least one outlet of said housing (25, 27), said receiving housings (25) and said passage housings (27) being joined alternately one by one, each housing (25, 27) being delimited by two thermally conductive separator plates (28) extended along parallel planes, one of said two separator plates (28) being in common for each pair of joined housings (25, 27).

Inventors:
BATAILLE LIONEL (FR)
Application Number:
FR2019/052435
Publication Date:
April 23, 2020
Filing Date:
October 15, 2019
Export Citation:
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Assignee:
COLDINNOV (FR)
International Classes:
F28F3/08; F25B17/08; F25D5/00; F28D9/00; F28D20/00
Domestic Patent References:
WO2017110477A12017-06-29
Foreign References:
US20140238071A12014-08-28
EP3382313A12018-10-03
FR2873793A12006-02-03
Other References:
JACQUES HUETZ ET AL: "Échangeurs de chaleur - Description des échangeurs", TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR / BE, GÉNIE ÉNERGÉTIQUE, FR, vol. B2341, 10 May 1995 (1995-05-10), pages 1 - 21, XP009138657, ISSN: 0399-4104
Attorney, Agent or Firm:
FOURCADE, Emmanuelle (FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1 - Réacteur (20) thermochimique comportant au moins une entrée (21 ) de fluide caloporteur et une sortie (22) de fluide caloporteur, au moins une entrée (23) de fluide réactif et une sortie (24) de fluide réactif, des logements de réception (25) de réactif solide (26) apte à réagir avec un fluide réactif et des logements de passage (27) de fluide caloporteur, chaque logement (25,

27) comprenant au moins une entrée et au moins une sortie dudit logement (25,27), les logements de réception (25) et les logements de passage (27) étant accolés de façon alternée un à un, chaque logement (25, 27) étant délimité par deux plaques séparatrices (28) thermiquement conductrices étendues selon des plans parallèles, une desdites deux plaques séparatrices (28) étant en commun pour chaque paire de logements (25, 27) accolés, ledit réacteur (20) thermochimique comprenant en outre :

- au moins un conduit (32) d’entrée de fluide caloporteur reliant l’entrée (21 ) de fluide caloporteur à l’entrée de chaque logement de passage (27) de fluide caloporteur ;

- au moins un conduit (33) de sortie de fluide caloporteur reliant la sortie (22) de fluide caloporteur à la sortie de chaque logement de passage (27) de fluide caloporteur ;

- au moins un conduit (34) d’entrée de fluide réactif reliant l’entrée (23) de fluide réactif à l’entrée de chaque logement de réception (25) de réactif solide (26) ;

- au moins un conduit (35) de sortie de fluide réactif reliant la sortie (24) de fluide réactif à la sortie de chaque logement de réception (25) de réactif solide (26) ;

et étant caractérisé en ce qu’il comporte au moins un tamis (45) disposé dans chaque logement de réception (25) entre les plaques séparatrices (28) qui délimitent ledit logement de réception (25), ledit tamis (45) étant configuré de sorte à empêcher le passage en son travers du réactif solide (26). 2 - Réacteur (20) thermochimique selon la revendication 1 , dans lequel les plaques séparatrices (28) sont corruguées.

3 - Réacteur thermochimique selon la revendication 2, dans lequel les corrugations (29) des plaques séparatrices (28) sont disposées de sorte que les logements de réception (25) et les logements de passage (27) comprennent respectivement des canaux de réception (30) de réactif solide (26) et des canaux de passage (31 ) de fluide caloporteur, l’ensemble des canaux (30, 31 ) formant un profil alvéolaire selon une coupe transversale des plaques séparatrices (28).

4 - Réacteur (20) thermochimique selon l’une quelconque des revendications

1 à 3, dans lequel les conduits (34, 35) d’entrée et sortie de fluide réactif comportent au moins une crépine (36) de filtration configurée pour empêcher le réactif solide (26) d’entrer dans lesdits conduits (34, 35) d’entrée et sortie de fluide réactif.

5 - Réacteur (20) thermochimique selon l’une quelconque des revendications

1 à 4, dans lequel chaque logement (25, 27) comporte au moins un joint (37) d’étanchéité disposé entre les deux plaques séparatrices (28) délimitant ledit logement (25, 27) au niveau d’au moins une partie de la périphérie desdites plaques séparatrices (28).

6 - Réacteur (20) thermochimique selon l’une quelconque des revendications

1 à 4, dans lequel pour chaque logement (25, 27), les deux plaques séparatrices (28) qui délimitent ledit logement (25, 27) sont soudées ou brasées ensemble au niveau d’au moins une partie de la périphérie desdites plaques séparatrices (28).

7 - Réacteur (20) thermochimique selon l’une quelconque des revendications

1 à 6, comportant un bâti (42) comprenant au moins deux plaques de fermeture (43) fixées l’une à l’autre de sorte à maintenir ensemble en compression les plaques séparatrices (28), lesdites plaques de fermeture (43) étant en matériau composite alvéolaire comportant des inserts et des renforts à la compression localisés et collés avec une résine synthétique dans les alvéoles dudit matériau.

8 - Réacteur (20) thermochimique selon l’une quelconque des revendications

1 à 7, dans lequel chaque plaque séparatrice (28) comporte deux extrémités opposées, une des extrémités opposées comportant une première perforation (38) et une deuxième perforation (39), l’autre extrémité comportant une troisième perforation (40) et une quatrième perforation (41 ), de sorte que l’ensemble des premières perforations (38) de toutes les plaques séparatrices (28) forme au moins une partie du conduit (21 ) d’entrée de fluide caloporteur, l’ensemble des deuxièmes perforations (39) de toutes les plaques séparatrices (28) forme au moins une partie du conduit (35) de sortie de fluide réactif, l’ensemble des troisièmes perforations (40) de toutes les plaques séparatrices (28) forme au moins une partie du conduit (22) de sortie de fluide caloporteur, l’ensemble des quatrièmes perforations (41 ) de toutes les plaques séparatrices (28) forme au moins une partie du conduit (34) d’entrée de fluide réactif.

9 - Réacteur thermochimique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant au moins un réactif solide (26) granuleux dans les logements de réception (25) de réactif solide.

10 - Réacteur (20) thermochimique selon l’une quelconque des revendications

1 à 9, comprenant dans les logements de réception (25) au moins un réactif solide (26) étant du charbon actif, et comprenant un fluide réactif étant de l’ammoniac.

1 1 - Réacteur (20) thermochimique selon la revendication 10, dans lequel le charbon actif comporte une porosité choisie de sorte que la distribution des micropores du charbon actif rapportée à la taille des molécules de fluide réactif est supérieure à 1.

12 - Réacteur (20) thermochimique selon l’une quelconque des revendications

10 à 1 1 , dans lequel le charbon actif comporte une granulométrie comprise entre 0,6 mm et 1 ,7 mm, comporte une surface spécifique comprise entre

1100 et 1200 m2/g et comporte en outre une densité comprise entre 0,5 et 0,56.

13 - Procédé de production d’énergie thermique par réaction de charbon actif avec de l’ammoniac sous forme gazeuse, mettant en oeuvre le réacteur (20) thermochimique objet des revendications 1 à 12, ledit réacteur (20) comprenant un réservoir dans lequel l’ammoniac est stocké sous forme liquide, un évaporateur et un condenseur, le procédé comprenant une étape préalable de séchage du charbon actif et au moins les étapes suivantes reconductibles de :

- évaporation de l’ammoniac liquide en ammoniac gazeux avec production de froid et adsorption de l’ammoniac gazeux par le charbon actif positionné dans les logements de réception (25), avec production de chaleur par le charbon actif et conduction de ladite chaleur par les plaques séparatrices (28) de sorte à chauffer le fluide caloporteur situé dans les logements de passage (27),

- désorption de l’ammoniac gazeux par le charbon actif sous effet d’un chauffage du charbon actif et condensation de l’ammoniac gazeux en ammoniac liquide.

14 - Procédé selon la revendication 13, dans lequel l’étape de séchage comprend au moins une sous-étape de chauffage du charbon actif sous vide poussé avec piège à azote liquide, à une température comprise entre 120°C et 450°C pendant 2h.

Description:
RÉACTEUR THERMOCHIMIQUE ET PROCÉDÉ DE PRODUCTION

D’ÉNERGIE THERMIQUE ASSOCIÉ

Domaine de l’invention

La présente invention s’applique au domaine des appareils de transfert et stockage de l’énergie thermique. Plus particulièrement, elle concerne le domaine des réacteurs thermochimiques.

La présente invention vise un réacteur thermochimique comprenant des plaques séparatrices thermiquement conductrices et un procédé de production d’énergie thermique mettant en oeuvre ledit réacteur.

Etat de l’art

La thermochimie est l’application du premier principe de thermodynamique aux réactions chimiques isothermes et isobares. Le fondement de la thermochimie est l’équation Qp=AH (Qp étant le transfert thermique échangé avec l’extérieur et DH étant l’enthalpie de réaction des processus mis en jeu), qui fournit une fonction d’état mesurable expérimentalement, reliée à l’énergie du système. Elle étudie la capacité qu’ont les molécules d’emmagasiner de l’énergie et de l’échanger avec d’autres molécules dans les processus physiques, ainsi que la production ou l’absorption d’énergie au cours des réactions physiques et chimiques.

Il est connu d’utiliser des systèmes thermochimiques pour la production de froid et/ou de chaleur. Ces systèmes sont fondés sur les variations thermiques résultant de transformations physico-chimiques d’un couple de composés aptes à interagir l’un avec l’autre. Typiquement, l’un des composés est un fluide réactif, et l’autre composé est un composé réactif solide s’associant avec ledit fluide quand ils sont mis en contact à une température donnée, mais se dissociant lorsque la contrainte pression-température augmente par rapport aux paramètres d’équilibre de la réaction entre le réactif solide et le fluide réactif.

Le fluide peut être sous forme gazeuse ou sous forme liquide selon les conditions de température et de pression auxquelles il est soumis. Dans certains systèmes, il est conservé à l’état liquide dans un réservoir qui est séparé par une vanne du réacteur contenant le composé réactif solide. A l’ouverture de la vanne, le fluide subit une expansion au cours de laquelle il se vaporise et va réagir chimiquement avec le composé réactif solide. Le changement d’état du fluide (de liquide à gazeux) consomme de l’énergie et induit par conséquent une baisse de température au niveau du réservoir ou de l’évaporateur si une vanne de détente du fluide est placée entre le réservoir et le réacteur. Au contraire, la réaction chimique entre le composé gazeux et le composé réactif solide est exothermique et provoque un dégagement de chaleur au niveau du réacteur. A l’équilibre, après vaporisation totale du fluide ou lorsque le composé réactif solide est saturé, la réaction chimique s’arrête ainsi que la production de froid et de chaleur.

Il est ensuite possible de régénérer le système en chauffant le composé réactif solide, ce qui provoque la séparation du composé réactif solide et du composé gazeux. De ce fait, on observe une montée de la pression dans le système et avec un condenseur on réalise une condensation du gaz qui se retrouve à l’état liquide dans le réservoir. Le composé réactif solide ainsi régénéré est apte à réagir dans un nouveau cycle de réfrigération-chauffage.

Il est connu de mettre à profit les phases alternées de production et d’absorption de chaleur d’un tel système, selon les besoins pour chauffer ou refroidir un compartiment auquel on l’associe par l’intermédiaire d’un dispositif thermiquement conducteur.

Un tel procédé est divulgué par le document FR 2 873 793, qui décrit le couplage d’un processus de transition de phase d’un fluide tel que l’ammoniac NH3 (par évaporation et condensation), et d’une réaction chimique fortement exothermique d’absorption du fluide gazeux par un milieu réactif solide à base d’un sel réactif, notamment du chlorure de calcium CaCL ou du chlorure de baryum BaCL. Point essentiel, cette réaction est renversable et permet par chauffage de régénérer le composé réactif solide et de récupérer le gaz initial (phase de désorption du gaz).

Les réacteurs thermochimiques connus de l’art antérieur sont généralement fermés avec une coque cylindrique à fonds bombés ou plats. Ces réacteurs thermochimiques permettent, par mise en contact d’un fluide réactif avec le composé réactif solide, de produire de la chaleur, mais leur spectre de performances est cependant limité en termes de réactivité, de productivité et efficacité thermique, de sûreté et de coûts d’investissement. De plus ces réacteurs fonctionnent habituellement de façon discontinue et ne permettent donc pas une production de la chaleur en continu.

C’est pourquoi, la présente invention vise à proposer une solution pour améliorer les performances d’un réacteur thermochimique.

Exposé de l’invention

À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un réacteur thermochimique comportant au moins une entrée de fluide caloporteur et une sortie de fluide caloporteur, au moins une entrée de fluide réactif et une sortie de fluide réactif, des logements de réception d’un réactif solide apte à réagir avec le fluide réactif et des logements de passage du fluide caloporteur, chaque logement comprenant au moins une entrée et au moins une sortie dudit logement, le réacteur thermochimique comprenant en outre les caractéristiques suivantes :

- les logements de réception et les logements de passage sont accolés de façon alternée un à un, chaque logement étant délimité par deux plaques séparatrices thermiquement conductrices étendues selon des plans parallèles, une desdites deux plaques séparatrices étant en commun pour chaque paire de logements accolés ;

- le réacteur comporte au moins un conduit d’entrée de fluide caloporteur reliant l’entrée de fluide caloporteur à l’entrée de chaque logement de passage de fluide caloporteur ;

- le réacteur comporte au moins un conduit de sortie de fluide caloporteur reliant la sortie de fluide caloporteur à la sortie de chaque logement de passage de fluide caloporteur ;

- le réacteur comporte au moins un conduit d’entrée de fluide réactif reliant l’entrée de fluide réactif à l’entrée de chaque logement de réception de réactif solide ;

- le réacteur comporte au moins un conduit de sortie de fluide réactif reliant la sortie de fluide réactif à la sortie de chaque logement de réception de réactif solide.

Les logements de réception peuvent être remplis d’un réactif solide et le fluide réactif peut circuler dans lesdits logements de réception pendant que le fluide caloporteur peut circuler dans les logements de passage. Un transfert d’énergie calorifique générée par la réaction entre le réactif solide et le fluide réactif, peut ainsi avoir lieu de façon bénéfique sur toute la surface des plaques séparatrices. Avantageusement, les plaques séparatrices ont une faible résistance au transfert de chaleur.

Le réacteur thermochimique a pour avantage de permettre pour chaque logement de réception une faible différence de température au sein dudit logement dans le réactif solide qu’il peut comporter.

Le réacteur thermochimique a également pour avantage d’avoir une capacité de remplissage en réactif solide élevé du fait que le nombre de logements de réception et de logements passage peut être augmenté autant que nécessaire.

Ce réacteur thermochimique permet l’intensification des échanges et présente des avantages en termes de productivité, d’efficacité thermique, de sûreté et de coûts d’investissement par rapport aux réacteurs en batch.

Suivant des modes de réalisation préférés, l’invention répond en outre aux caractéristiques suivantes, mises en œuvre séparément ou en chacune de leurs combinaisons techniquement opérantes.

De préférence le fluide réactif est sous forme gazeuse. Selon un mode de réalisation, le fluide réactif est de l’ammoniac. Selon un mode de réalisation, le réacteur thermochimique comporte un condenseur configuré pour condenser le fluide réactif sous forme gazeuse en fluide réactif sous forme liquide. Dans un tel mode de réalisation, le réacteur thermochimique peut comporter un évaporateur configuré pour évaporer le fluide réactif sous forme liquide en fluide réactif sous forme gazeuse. Le réacteur thermochimique peut comporter un réservoir dans lequel est stocké le fluide réactif sous forme liquide. Selon un exemple de réalisation, le fluide caloporteur est de l’eau.

Dans un mode de réalisation particulier, les plaques séparatrices sont en aluminium, en acier inoxydable ou en matériau synthétique. Chaque plaque est de préférence d’une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,8 mm. La distance entre deux plaques séparatrices délimitant chaque logement de réception, est de préférence comprise entre 5 et 10 mm tandis que la distance entre deux plaques séparatrices délimitant chaque logement de passage est de préférence comprise entre 2 et 4 mm. La puissance de réaction calculée pendant l’adsorption est ainsi bien meilleure car lorsque les logements de réception comportent le réactif solide, ce dernier forme une couche fine d’épaisseur comprise entre 5 et 10 mm qui est entièrement plongée dans le fluide réactif en phase d’adsorption.

Les plaques séparatrices sont de préférence globalement rectangulaires.

Selon un mode de réalisation particulier, les plaques séparatrices sont corruguées. Cela permet avantageusement de maximiser l’échange convectif dans le fluide caloporteur. En effet, les corrugations créées une turbulence à l’intérieur du fluide caloporteur, ce qui favorise l’échange convectif au sein dudit fluide caloporteur et améliore ainsi les performances du réacteur. Selon un mode de réalisation les corrugations sont configurées de sorte à créer des points de contact entre les corrugations des deux plaques délimitant chaque logement de passage, de préférences chaque logement (passage et réception). La présence de ces points de contact a pour avantage d’éviter une réduction trop importante de la distance entre les deux plaques séparatrices dont les corrugations sont en contact lorsque des pressions sont exercées sur lesdites plaques.

Selon un mode de réalisation particulier, les corrugations des plaques séparatrices sont disposées de sorte que les logements de réception et les logements de passage comprennent respectivement des canaux de réception de réactif solide et des canaux de passage de fluide caloporteur, l’ensemble des canaux formant un profil alvéolaire selon une coupe transversale des plaques séparatrices. Selon un exemple de réalisation préféré, pour chaque logement, les corrugations d’une plaque séparatrice qui délimite ledit logement sont symétriques aux corrugations de l’autre plaque séparatrice délimitant le logement, selon un plan de symétrie traversant ledit logement et parallèle aux plans selon lesquels sont étendues lesdites plaques séparatrices. Cette disposition des corrugations permet d’améliorer encore plus l’échange convectif au sein du fluide caloporteur et les performances du réacteur.

Dans un mode de réalisation particulier, les conduits d’entrée et sortie de fluide réactif comportent chacun au moins une crépine de filtration configurée pour empêcher le réactif solide d’entrer dans lesdits conduits d’entrée et sortie de fluide réactif. De préférence, ladite crépine est enveloppée par une toile en inox. La crépine permet avantageusement de maintenir le réactif solide dans les logements de réactif solide et évite ainsi la migration du réactif solide dans les conduits d’entrée et sortie de fluide réactif. Il est ainsi évité tout phénomène de ré-adsorption parasite en phase de désorption, par du réactif solide qui aurait migré dans les conduits d’entrée et sortie de fluide réactif, lesdits conduits n’étant pas destinés à être chauffés par le fluide caloporteur.

Dans un mode de réalisation particulier, chaque logement comporte au moins un joint d’étanchéité disposé entre les deux plaques séparatrices délimitant ledit logement au niveau d’au moins une partie de la périphérie desdites plaques séparatrices. Le joint permet d’établir l’étanchéité dudit logement là ou elle est souhaitée. Le joint est de préférence en polymère. Selon un exemple de réalisation, le joint est en caoutchouc éthylène-propylène-diène monomère (EPDM).

Dans un mode de réalisation particulier, pour chaque logement, les deux plaques séparatrices qui délimitent ledit logement sont soudées ou brasées ensemble au niveau d’au moins une partie de la périphérie desdites plaques séparatrices. Les soudures ou brasures permettent d’établir l’étanchéité du logement là où elle est souhaitée.

Dans un autre mode de réalisation particulier, pour chaque logement de réception, les deux plaques séparatrices qui délimitent ledit logement de réception sont soudées ou brasées ensemble au niveau d’au moins une partie de la périphérie et, chaque logement de passage, comporte au moins un joint d’étanchéité disposé entre les deux plaques séparatrices délimitant ledit logement de passage, au niveau d’au moins une partie de la périphérie desdites plaques séparatrices.

Dans un mode de réalisation particulier, le réacteur thermochimique comporte un bâti comprenant au moins deux plaques de fermeture fixées l’une à l’autre de sorte à maintenir ensemble en compression les plaques séparatrices. Selon un exemple de réalisation, les plaques de fermeture sont en matériau composite alvéolaire comportant des inserts et des renforts à la compression localisés et collés avec une résine synthétique dans les alvéoles dudit matériau. Ces plaques de fermetures en matériau composite alvéolaire ont pour avantage de diminuer la masse thermique du réacteur thermochimique durant l’alternance des différentes phases d’un cycle thermochimique réalisé dans ledit réacteur. Les inserts et renforts à la compression localisés et collés avec une résine synthétique dans les alvéoles permettent avantageusement d’éviter un écrasement desdites alvéoles.

De préférence, au moins une des plaques de fermeture comprend l’entrée et la sortie de fluide caloporteur ainsi que l’entrée et la sortie de fluide réactif.

Dans un mode de réalisation particulier, chaque plaque séparatrice comporte deux extrémités opposées, une des extrémités opposées comportant une première perforation et une deuxième perforation, l’autre extrémité comportant une troisième perforation et une quatrième perforation, de sorte que l’ensemble des premières perforations de toutes les plaques séparatrices forme au moins une partie du conduit d’entrée de fluide caloporteur, l’ensemble des deuxièmes perforations de toutes les plaques séparatrices forme au moins une partie du conduit de sortie de fluide réactif, l’ensemble des troisièmes perforations de toutes les plaques séparatrices forme au moins une partie du conduit de sortie de fluide caloporteur, l’ensemble des quatrièmes perforations de toutes les plaques séparatrices forme au moins une partie du conduit d’entrée de fluide réactif. De cette façon, le réacteur thermochimique est plus compact et facile à monter ou démonter. De plus, ce mode de réalisation permet d’obtenir un courant de fluide réactif croisé avec le courant de fluide caloporteur lors de l’utilisation du réacteur thermochimique pour la production d’énergie thermique. Dans un mode de réalisation particulier, les entrées et sorties de fluide caloporteur et de fluide réactif comportent un chemisage en inox ou en polypropylène. Ce chemisage permet d’éviter le contact direct des fluides avec les entrées et sorties de fluide caloporteur et de fluide réactif, particulièrement avec la plaque de fermeture qui les comprend dans les modes de réalisation où c’est le cas. Ce contact direct évité a pour avantage de limiter la déperdition thermique au niveau des entrées et sorties de fluide caloporteur et de fluide réactif.

Dans un mode de réalisation particulier, le réacteur thermochimique comporte au moins un tamis, de préférence deux tamis, disposé dans chaque logement de réception entre les plaques séparatrices qui délimitent ledit logement de réception, ledit tamis étant configuré de sorte à empêcher le passage en son travers du réactif solide. On entend par « configuré de sorte à empêcher le passage en son travers du réactif solide » que le tamis comporte un maillage assez fin pour empêcher le réactif solide de le traverser. Le tamis est de préférence étendu selon un plan parallèle aux plans selon lesquels sont étendues les plaques séparatrices. Le tamis est de préférence étendu selon ledit plan sur toute la surface du logement de réception jusqu’à l’entrée et la sortie dudit logement de réception. Selon un exemple de réalisation, le tamis présente un maillage d’environ 125 pm.

Le tamis permet de réserver un espace de circulation libre du fluide réactif en son travers. Le tamis a pour avantage de faciliter la circulation du fluide réactif au sein du logement de réception dans lequel il se situe et améliore le transfert dudit fluide réactif dans tout le réactif solide dudit logement de réception.

Ledit tamis présente de préférence un diamètre de fil de 0.2mm pour un maillage de 0.35mm ce qui permet d’améliorer encore la circulation du fluide réactif.

Dans un mode de réalisation particulier, le réacteur thermochimique comprend au moins un réactif solide dans les logements de réception de réactif solide. De préférence, le réactif solide est granuleux. Selon un exemple de réalisation, ledit réactif solide est du charbon actif, de préférence granuleux. De préférence le charbon actif comporte un taux d’humidité inférieur ou égal à 0,2 %. Le charbon actif est un réactif solide poreux.

Selon un exemple de réalisation préféré, le charbon actif comporte une granulométrie comprise entre 0,6 mm et 1 ,7 mm. Une faible granulométrie augmente fortement la capacité et la vitesse d’adsorption du fluide réactif par le réactif solide mais défavorise la désorption. La surface spécifique induite par la granulométrie est responsable en majeure partie de la quantité et la vitesse d’adsorption du fluide réactif par le charbon actif. Une granulométrie comprise entre 0,6 mm et 1 ,7 mm permet une adsorption du fluide réactif plus rapide et en plus grande quantité qu’avec des granulométries autres.

Le charbon actif comporte de préférence une surface spécifique comprise entre 1 100 et 1200 m 2 /g.

Selon un exemple de réalisation, le charbon actif comporte une porosité choisie de sorte que la distribution des micropores du charbon actif rapportée à la taille des molécules de fluide réactif est supérieure à 1 . Cette valeur du ratio correspondant au paramètre n de l’équation de Dubinin&Astakhov décrivant les phénomènes d’adsorption physique gaz par réactif microporeux caractéristiques des charbons actifs, signifie que les pores de taille inférieure à la molécule de fluide réactif sont prédominants pour l’adsorption. Cette porosité permet une adsorption rapide du fluide réactif par le charbon actif en phase d’adsorption et permet avantageusement d’éviter ou de diminuer fortement le fait que ledit charbon actif continue d’adsorber ledit fluide réactif en phase de désorption ce qui diminuerait les performances du réacteur thermochimique.

Le charbon actif comporte en outre de préférence, une densité comprise entre 0,5 et 0,56.

Selon un mode de réalisation préféré, le réactif solide est du charbon actif granuleux, de granulométriecomprise entre 0,6 mm et 1 ,7 mm, comportant une surface spécifique comprise entre 1 100 et 1200 m 2 /g et comportant en outre une densité comprise entre 0,5 et 0,56.

De préférence le charbon actif a préalablement subi une sur-activation chimique permettant avantageusement d’améliorer ses performances d’adsorption d’ammoniac. De préférence la sur-activation chimique comprend un traitement du charbon actif sous oxyde de cuivre à pH adapté.

Selon un mode de réalisation préféré, le charbon actif a subi au préalable une sur-activation chimique de sorte que le pourcentage d’adsorption en ammoniac dudit charbon actif soit de 18%. On entend par là une sur activation chimique de sorte que le rapport de la masse d’ammoniac adsorbée par un échantillon dudit charbon actif sur la masse dudit échantillon de charbon actif saturé en ammoniac est de 18%.

Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de production d’énergie thermique par réaction de charbon actif avec de l’ammoniac sous forme gazeuse, mettant en oeuvre le réacteur thermochimique objet de la présente invention, ledit réacteur comprenant un réservoir dans lequel l’ammoniac est stocké sous forme liquide, un évaporateur et un condenseur, le procédé comprenantune étape préalable de séchage du charbon actif et au moins les étapes suivantes reconductibles de :

- évaporation de l’ammoniac liquide en ammoniac gazeux avec production de froid, et adsorption de l’ammoniac gazeux par le charbon actif positionné dans les logements de réception avec production de chaleur par le charbon actif, et conduction de ladite chaleur par les plaques séparatrices de sorte à chauffer le fluide caloporteur situé dans les logements de passage,

- désorption de l’ammoniac gazeux par le charbon actif sous effet d’un chauffage du charbon actif.

L’étape de séchage du charbon actif permet avantageusement de réduire les phénomènes parasites d’évapo-condensation d’eau contenue par le charbon actif dans le réacteur thermochimique.

Selon un mode de mise en oeuvre le chauffage du charbon actif est réalisé par chauffage du fluide caloporteur. Le fluide caloporteur chaud permet de chauffer par conduction les plaques séparatrices et, par conduction et convection le charbon actif. Lors de l’étape de désorption, l’ammoniac gazeux qui s’échappe du charbon actif est de préférence, à l’aide du condenseur, condensé en ammoniac liquide à nouveau stocké dans le réservoir.

Selon un mode de mise en oeuvre particulier, l’étape de séchage comprend au moins une sous-étape de chauffage du charbon actif sous vide poussé avec piège à azote liquide, à une température comprise entre 120°C et 450°C pendant 2h.

Présentation des figures

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures qui représentent :

- Figure 1 : illustre une vue éclatée du réacteur thermochimique comportant les plaques séparatrices, selon un mode de réalisation de l’invention.

- Figure 2 : illustre une vue en coupe du réacteur thermochimique selon un plan perpendiculaire aux plans selon lesquels sont étendues les plaques séparatrices et traversant les conduits d’entrée et sortie du fluide caloporteur.

- Figure 3 : illustre une vue en coupe du réacteur thermochimique selon un plan perpendiculaire aux plans selon lesquels sont étendues les plaques séparatrices et traversant les conduits d’entrée et sortie du fluide réactif.

- Figure 4 : illustre une vue agrandie de la figure 2 au niveau d’un des conduits d’entrée et sortie du fluide réactif, le réacteur thermochimique comprenant du réactif solide dans les logements de réception.

- Figure 5 : illustre une vue en coupe de plaques séparatrices selon un plan perpendiculaire aux plans selon lesquels sont étendues lesdites plaques, les plaques séparatrices comprenant des corrugations disposées de sorte que les logements de réception et les logements de passage comprennent respectivement des canaux de réception de réactif solide et des canaux de passage de fluide caloporteur.

- Figure 6 : illustre une plaque séparatrice selon un mode de réalisation du réacteur thermochimique.

Description détaillée de l’invention

On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle.

De manière plus générale, la portée de la présente invention ne se limite pas aux modes de mise en oeuvre et de réalisation décrits ci-dessus à titre d’exemples non limitatifs, mais s’étend au contraire à toutes les modifications à la portée de l’homme de l’art. Chaque caractéristique d’un mode de réalisation peut être mise en oeuvre isolément ou combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.

La présente invention vise un réacteur 20 thermochimique comportant au moins une entrée 21 de fluide caloporteur et une sortie 22 de fluide caloporteur (figure 1 et figure 2). au moins une entrée 23 de fluide réactif et une sortie 24 de fluide réactif (figure 1 et figure 3). des logements de réception 25 d’un réactif solide 26 apte à réagir avec le fluide réactif et des logements de passage 27 du fluide caloporteur (figure 4). chaque logement 25, 27, comprenant au moins une entrée et au moins une sortie dudit logement 25, 27. De préférence le fluide réactif est sous forme gazeuse lors de la réaction avec le réactif solide 26, et le réacteur 20 comporte en outre un réservoir de stockage du fluide réactif sous forme liquide et un condenseur configuré pour condenser le fluide réactif de sa forme gazeuse en sa forme liquide (non illustrés sur les figures).

Les logements de réception 25 et les logements de passage 27 sont accolés de façon alternée un à un, chaque logement 25, 27, étant délimité par deux plaques séparatrices 28 thermiquement conductrices étendues selon des plans parallèles, une desdites deux plaques séparatrices 28 étant en commun pour chaque paire de logements 25, 27, accolés. Les plaques séparatrices 28 sont en aluminium, en acier inoxydable ou en matériau synthétique. Lesdites plaques séparatrice 28 ont une forme globalement rectangulaire.

Les plaques séparatrices 28 sont préférentiellement corruguées. Les corrugations 29 (figure 1 et figure 5) permettent avantageusement de maximiser l’échange convectif dans le fluide caloporteur car elles créées une turbulence à l’intérieur du fluide caloporteur, ce qui favorise l’échange convectif au sein dudit fluide caloporteur et améliore ainsi les performances du réacteur 20. Les corrugations 29 sont configurées de sorte à créer des points de contact entre les corrugations 29 des deux plaques séparatrices 28 délimitant chaque logement 25, 27 ce qui a pour avantage d’éviter une réduction trop importante de la distance entre lesdites deux plaques séparatrices 28 lorsque elles subissent de fortes pressions.

Comme illustré en figure 5, les corrugations 29 des plaques séparatrices 28 sont disposées de sorte que les logements de réception 25 et les logements de passage 27 comprennent respectivement des canaux de réception 30 de réactif solide 26 et des canaux de passage 31 de fluide caloporteur, l’ensemble des canaux 30, 31 , formant un profil alvéolaire selon un plan de coupe perpendiculaire aux plans selon lesquels sont étendues lesdites plaques séparatrices 28. Pour chaque logement 25, 27, les corrugations 29 d’une plaque séparatrice 28 qui délimite ledit logement 25, 27, sont symétriques aux corrugations 29 de l’autre plaque séparatrice 28 délimitant le logement 25, 27, selon un plan P de symétrie traversant ledit logement 25, 27, et parallèle aux plans selon lesquels sont étendues lesdites plaques séparatrices 28. Cette disposition des corrugations 29 permet d’améliorer encore plus l’échange convectif au sein du fluide caloporteur et les performances du réacteur 20.

Le réacteur 20 comporte au moins un conduit 32 d’entrée de fluide caloporteur reliant l’entrée 21 de fluide caloporteur à l’entrée de chaque logement de passage 27 de fluide caloporteur. Le réacteur 20 comporte en outre au moins un conduit 33 de sortie de fluide caloporteur reliant la sortie 22 de fluide caloporteur à la sortie de chaque logement de passage 27 de fluide caloporteur.

Le réacteur 20 comporte au moins un conduit 34 d’entrée de fluide réactif reliant l’entrée 23 de fluide réactif à l’entrée de chaque logement de réception 25 de réactif solide 26. Le réacteur 20 comporte au moins un conduit 35 de sortie de fluide réactif reliant la sortie 24 de fluide réactif à la sortie de chaque logement de réception 25 de réactif solide 26. Selon un autre mode de réalisation particulier non illustré sur les figures, l’entrée de chaque logement de réception 25 est également la sortie de chaque logement de réception 25 et le réacteur 20 comporte un seul conduit d’entrée et sortie de fluide réactif reliant l’entrée 23 de fluide réactif à l’entrée/sortie de chaque logement de réception 25.

Comme illustré en figures 3 et 4, le conduit 34 d’entrée de fluide réactif et le conduit 35 de sortie de fluide réactif comportent chacun au moins une crépine 36 de filtration configurée pour empêcher le réactif solide 26 d’entrer dans ledit conduit 34 d’entrée et ledit conduit 35 de sortie de fluide réactif. De préférence, ladite crépine 36 est enveloppée par une toile en inox. La crépine 36 permet avantageusement de maintenir le réactif solide 26 dans les logements de réception 25 et évite ainsi la migration du réactif solide 26 dans le conduit 34 d’entrée et le conduit 35 de sortie de fluide réactif.

Comme illustré en figure 1 et figure 6. dans un mode de réalisation, au moins un joint 37 d’étanchéité est disposé entre les deux plaques séparatrices 28 délimitant chaque logement 25, 27, au niveau d’au moins une partie de la périphérie desdites plaques séparatrices 28. Le joint 37 permet d’établir l’étanchéité dudit logement 25, 27. Pour chaque logement de réception 25, le joint 37 permet notamment d’orienter la circulation du fluide réactif du conduit 34 d’entrée de fluide réactif au conduit 35 de sortie de fluide réactif. Pour chaque logement de passage 27, le joint 37 permet notamment d’orienter la circulation du fluide caloporteur du conduit 32 d’entrée de fluide caloporteur au conduit 33 de sortie de fluide caloporteur. Le joint 37 est de préférence en polymère. Selon un exemple de réalisation, le joint est en caoutchouc éthylène-propylène-diène monomère (EPDM).

Dans un autre mode de réalisation particulier, pour chaque logement 25, 27, les deux plaques séparatrices 28 qui délimitent ledit logement 25, 27, sont soudées ou brasées ensemble au niveau d’au moins une partie de la périphérie desdites plaques séparatrices 28. Les soudures ou brasures permettent d’établir l’étanchéité du logement 25, 27. Pour chaque logement de réception 25, les soudures ou brasures permettent notamment d’orienter la circulation du fluide réactif du conduit 34 d’entrée de fluide réactif au conduit 35 de sortie de fluide réactif. Pour chaque logement de passage 27, les soudures ou brasures permettent notamment d’orienter la circulation du fluide caloporteur du conduit 32 d’entrée de fluide caloporteur au conduit 33 de sortie de fluide caloporteur.

Encore dans un autre mode de réalisation particulier, pour chaque logement de réception 25, les deux plaques séparatrices 28 qui délimitent ledit logement de réception 25 sont soudées ou brasées ensemble au niveau d’au moins une partie de la périphérie et, au moins un joint 37 d’étanchéité est disposé entre les deux plaques séparatrices 28 délimitant chaque logement de passage 27, au niveau d’au moins une partie de la périphérie desdites plaques séparatrices 28.

Chaque plaque séparatrice 28 comporte deux extrémités opposées, une des extrémités opposées comportant une première perforation 38 et une deuxième perforation 39, l’autre extrémité comportant une troisième perforation 40 et une quatrième perforation 41 (figures 1 et6). Selon un mode de réalisation, l’ensemble des premières perforations 38 de toutes les plaques séparatrices 28 forme au moins une partie du conduit 32 d’entrée de fluide caloporteur, l’ensemble des deuxièmes perforations 39 de toutes les plaques séparatrices 28 forme au moins une partie du conduit 35 de sortie de fluide réactif, l’ensemble des troisièmes perforations 40 de toutes les plaques séparatrices 28 forme au moins une partie du conduit 33 de sortie de fluide caloporteur, et l’ensemble des quatrièmes perforations 41 de toutes les plaques séparatrices 28 forme au moins une partie du conduit 34 d’entrée de fluide réactif. De cette façon, le réacteur thermochimique est plus compact et facile à monter ou démonter. Ce mode de réalisation permet d’obtenir un courant de fluide réactif croisé avec le courant de fluide caloporteur lors de l’utilisation du réacteur 20 thermochimique pour la production d’énergie thermique.

Selon un autre mode de réalisation, l’ensemble des premières perforations 38 de toutes les plaques séparatrices 28 forme au moins une partie du conduit 32 d’entrée de fluide caloporteur, l’ensemble des deuxièmes perforations 39 de toutes les plaques séparatrices 28 forme au moins une partie du conduit 34 d’entrée de fluide réactif, l’ensemble des troisièmes perforations 40 de toutes les plaques séparatrices 28 forme au moins une partie du conduit 33 de sortie de fluide caloporteur, et l’ensemble des quatrièmes perforations 41 de toutes les plaques séparatrices 28 forme au moins une partie du conduit 35 de sortie de fluide réactif.Ce mode de réalisation permet d’obtenir un courant de fluide réactif parallèle avec le courant de fluide caloporteur lors de l’utilisation du réacteur 20 thermochimique pour la production d’énergie thermique.

Le réacteur 20 thermochimique comporte un bâti 42 comprenant au moins deux plaques de fermeture 43 fixées l’une à l’autre de sorte à maintenir ensemble en compression les plaques séparatrices 28 (figures 1 , 2, 3 et 4). Ces plaques de fermeture 43 ont une forme globalement rectangulaire. Les plaques de fermeture 43 sont de préférence en matériau composite alvéolaire comportant des inserts et des renforts à la compression localisés et collés avec une résine synthétique dans les alvéoles dudit matériau. Cela permet de diminuer la masse thermique du réacteur 20 thermochimique durant l’alternance des différentes phases d’un cycle thermochimique réalisé dans ledit réacteur 20.

De préférence, au moins une des plaques de fermeture 43 comprend l’entrée 21 et la sortie 22 de fluide caloporteur ainsi que l’entrée 23 et la sortie 24 de fluide réactif. L’entrée 21 et la sortie 22 de fluide caloporteur ainsi que l’entrée 23 et la sortie 24 de fluide réactif comportent chacune un chemisage 44 en inox ou en polypropylène.

La figure 5 illustre un mode de réalisation dans lequel le réacteur 20 thermochimique comporte deux tamis 45, disposés dans chaque logement de réception 25 entre les plaques séparatrices 28 qui délimitent ledit logement de réception 25, lesdits tamis étant configurés de sorte à empêcher le passage en leur travers du réactif solide 26 lorsque ce dernier est dans le logement de réception 25. Les tamis 45 sont de préférence étendus selon un plan parallèle aux plans selon lesquels sont étendues les plaques séparatrices 28 et sur toute la surface du logement de réception 25 jusqu’à l’entrée et la sortie dudit logement de réception.

Les tamis 45 permettent de réserver un espace de circulation libre du fluide réactif en leur travers. Ils facilitent ainsi la circulation du fluide réactif au sein du logement de réception 25 dans lequel ils se situentet améliorent le transfert dudit fluide réactif dans tout le réactif solide 26 dudit logement de réception 25.

Les figures 4 et 5 illustrent des modes de réalisation dans lesquels le réacteur 20 thermochimique comprend au moins un réactif solide 26 dans les logements de réception 25. Le réactif solide 26 est granuleux.

De préférence, le réactif solide est du charbon actif et le fluide réactif est de l’ammoniac sous forme gazeuse.

Les inventeurs ont cherché à identifier le charbon actif à utiliser avantageusement comme réactif solide 26 dans le réacteur 20, en fonction des critères relatifs à la sorption et l’adéquation de ces propriétés aux spécifications réacteur : Capacité, Vitesse, Pic exothermique, Puissance, Conductivité / perméabilité.

Le réacteur 20 doit permettre une bonne densité de puissance avec un temps de cycle réduit et une bonne capacité de sorption.

Quatre charbons actifs différents ont donc été analysés et sont présentés avec leurs propriétés dans le tableau 1 suivant :

Tableau 1 : Caractéristiques de quatre charbons actifs différents sélectionnés.

L’activation ou sur-activation correspond à un traitement apporté au charbon actif pour qu’il puisse absorber de l’ammoniac gazeux en plus grande quantité.

Les propriétés de sorption de chaque charbon actif ont été définies et reportées dans le tableau 2 suivant :

Tableau 2 : Propriétés de sorption des quatre charbons actifs différents testés dans le réacteur thermochimique de la présente invention.

Le temps caractéristique t indique le temps nécessaire pour atteindre un régime permanent et ne traduit ni la capacité à stocker le fluide réactif, ni la puissance de froid produite au niveau du réservoir ou du détendeur.

Pour chaque charbon actif les paramètres de l’équation de Dubinin- Ashtakov qui reproduit les phénomènes d’adsorption physique gaz et vapeur par réactif microporeux (particularité importante des charbons actifs), ont été identifiés.

Les résultats indiquent qu’il est plus avantageux d’utiliser un charbon actif qui présente une porosité telle que la distribution des micropores du charbon actif rapportée à la taille des molécules de fluide réactif est supérieure à 1. Cette valeur du ratio correspondant au paramètre n de l’équation de Dubinin&Astakhov signifie que les pores de taille inférieure à la molécule de fluide réactif sont prédominants pour l’adsorption. En effet, les charbons actifs dont la porositéest telle que la distribution des micropores du charbon actif rapportée à la taille des molécules de fluide réactif est inférieure à 1 , continuent à adsorber de l’ammoniac gazeux durant la phase de désorption ce qui diminue les performances du réacteur 20.

On constate que les charbons actifs A et D ont la même granulométrie et adsorbent plus en quantité et plus vite l’ammoniac gazeux que le charbon actif C. Les charbons actifs C et D ont des diamètres de pores et un taux de vide identiques. Les inventeurs ont alors déterminé que la surface spécifique induite par la granulométrie est responsable en majeure partie de la quantité et la vitesse d’adsorption de l’ammoniac gazeux par le charbon actif.

Le charbon actif D présente une désorption en plus petite quantité massique d’ammoniac que le charbon actif C sur une longue période (120 min).

Etant donnés les résultats ci-dessus, le charbon actif D semble avantageusement le plus adapté pour la production d’énergie thermique avec le réacteur 20.

La présente invention vise également un procédé de production d’énergie thermique par réaction de charbon actif avec de l’ammoniac sous forme gazeuse, mettant en oeuvre le réacteur 20 thermochimique, ledit réacteur 20 comprenant un réservoir dans lequel l’ammoniac est stocké sous forme liquide, un évaporateur et un condenseur, le procédé comprenant une étape préalable de séchage du charbon actif et au moins les étapes suivantes reconductibles de :

- évaporation de l’ammoniac liquide en ammoniac gazeux avec production de froid et adsorption de l’ammoniac gazeux par le charbon actif positionné dans les logements de réception 25, avec production de chaleur par le charbon actif et conduction de ladite chaleur par les plaques séparatrices 28 de sorte à chauffer le fluide caloporteur situé dans les logements de passage 27,

- désorption de l’ammoniac gazeux par le charbon actif sous effet d’un chauffage du charbon actif.

Le charbon actif brut contient toujours un certains taux d’humidité venant principalement de l’air ambiant. L’étape de séchage du charbon actif permet avantageusement de réduire les phénomènes parasites d’évapo- condensation d’eau contenue par le charbon actif, dans le réacteur thermochimique. De plus cela permet au charbon actif d’avoir une meilleure capacité d’adsorption de l’ammoniac gazeux.

De préférence, le réacteur 20 thermochimique comporte un évaporateur (non-illustré sur les figures) étant configuré pour réaliser l’évaporation l’ammoniac liquide en ammoniac gazeux. Selon un mode de mise en oeuvre particulier, le procédé comporte en outre parmi ses étapes reconductibles, suite à l’étape de désorption, une étape de refroidissement du charbon actif. Cette étape de refroidissement a pour avantage de permettre un recouvrement complémentaire d’ammoniac condensé par opération de ré-évaporation partielle provoquant l’écoulement par gravité de l’ammoniac retenu dans le condenseur.