1.3 Procédés de stockage
1.3.3 Choix du réacteur
La mise en œuvre de réactions thermochimiques solide/gaz, qui présentent des cinétiques lentes, nécessite un très bon contact entre les réactifs afin
d’in-tensifier les échanges de matière et d’énergie. En particulier en système ouvert, les contacts doivent être suffisants pour tendre vers un système pseudo-homogène (Tf luide = Tsolide) et ainsi maximiser la récupération de la chaleur de réaction. Il faut également éviter les zones mortes et les passages préférentiels du gaz en optimisant le passage du gaz dans le lit de solide et en contrôlant le temps de séjour du solide. Afin d’optimiser le bilan énergétique de l’installation, les phénomènes d’inertie ainsi que les pertes thermiques doivent être minimisés ainsi que la consommation énergétique glo-bale du procédé pour le fonctionnement du réacteur et le transport du solide. Pour des objectifs de développement à l’échelle industrielle, la simplicité et la compacité du réacteur sont également des éléments importants à prendre en compte. Pour ces raisons, il est important de réduire le volume d’air nécessaire par rapport au volume de solide traité. Enfin, le réacteur développé dans ce projet doit être adapté à des opérations continues.
Une étude comparative théorique, menée par Zondag et al. [16] sur différents sels et une zéolithe indique que le mélange actif du solide lors de la réaction d’hydratation permettrait une
tation de la température maximale atteinte et diminuerait aussi la durée nécessaire pour atteindre cette température. L’homogénéité du profil de température dans le lit serait également observée. Cette étude tend à montrer que le mélange des particules au contact du fluide augmenterait signi-ficativement les transferts thermiques lors de la réaction. Cependant, le risque d’attrition par le brassage du solide entraînant la formation de poudre ne doit pas être négligé.
En effet, les sels hydratés sont des cristaux dont la granulométrie dépend du mode de fabrication. Les études montrent que les différents hydrates sont plus ou moins sensibles à l’attrition, c’est-à-dire, à l’usure due aux contraintes mécaniques [32, 39]. C’est pourquoi le brassage du solide au sein du réacteur doit être limité.
Les réactions thermochimiques étudiées dans ce projet sont des réactions d’hydratation et de déshydratation d’hydrates. Cependant, nous avons vu que les réactions thermochimiques sont plus variées, et leur intérêt dépend des conditions et des contraintes du système considéré (ici, on considère des réseaux de chaleur associés à des technologies solaires thermiques). Nous avons donc choisi de développer un réacteur solide/gaz modulaire qui puisse fonctionner aussi bien avec un sel hydraté, qu’avec un sorbant solide poreux ou un matériaux composite, en fonction des besoin de chaque application. D’après les différentes données de la littérature, on peut définir une gamme de taille des différents solides utilisés dans le stockage thermochimique : Sel hydraté : 50µm < dp < 500 µm ; Sorbant poreux : 0,5 mm < dp < 5 mm.
C. Laguérie [98] a établi un tableau qui classe les réacteurs en fonction des propriétés du matériau à traiter (Tableau 1.7). Selon ses critères, la catégorie qui regroupe à la fois les hydrates et les sorbants poreux est celle des "Solides granulaires ou fibreux", c’est-à-dire ayant une granulométrie comprise entre 0.150 et 5 mm.
Type de réacteur Solide granulaire et fibreux
Convoyeur à chariots applicable
Convoyeur à bande ou à toile très utilisé mais dp > 5 mm
Convoyeur à vis bien adapté pour des solides non-collants et résistants à la
chaleur
Four rotatif très utilisé sauf avec des solides sensibles à l’érosion
Séchoir Roto-Louvre bien adapté pour les solides thermosensibles et résistants à
l’érosion
Contacteur cylindrique à pales ou
à ruban hélicoïdal très utilisé pour des solides non-collants
Turbocontacteur à plateau assez bien adapté sauf pour des solides collants et fibreux
Lit mobile adapté pour des solides ayant une bonne coulabilité, peu
ag-glomérants et n’ayant pas tendance à la ségrégation Contacteur à pluie de particules peu adapté si dp > 1 mm
Lit fluidisé bien adapté surtout pour dp jusqu’à 1 mm et très utilisé
Lit circulant pas adapté
Lit à jet solides non collants et adapté à de faible charges
Lit fluidisé vibré adapté pour les solides difficiles à fluidiser
Transport pneumatique adapté à des solides peu abrasifs et résistants à l’érosion
Table 1.7 – Réacteurs solide/gaz pour le traitement des solides granulaires ou fibreux [98]
Les réacteurs listés dans le Tableau 1.7 ont été décrits dans ce chapitre. Parmi les réacteurs qui ne présentent pas, selon C. Laguérie [98], de contre-indication10 au traitement de solides gra-nulaires, le réacteur à lit mobile est le mieux adapté aux contraintes de cette étude.
En effet, il a été mis en avant le fait que la fluidisation bouillonante d’hydrates est délicate à mettre en œuvre [18]. De plus, les réacteurs à lit fluidisés nécessitent un grand volume d’air par rapport au volume de solide traité, tout comme les contacteurs cylindriques à pales ou à ruban, qui est un système complexe.
Les réacteurs à jet et les convoyeurs à vis impliquent un brassage du solide qui risque d’user le réactif solide et de produire des particules fines.
Le convoyeur à chariot, quant à lui, correspond à une succession de lits fixes. Il est donc adapté au stockage thermochimique, cependant un réacteur à lit mobile, dont le comportement est similaire à un lit fixe, est un système plus simple qui permet d’opérer facilement en continu. De plus, il ne présente pas de brassage du solide et permet de minimiser le volume d’air dans la zone réactive. Les pertes de charge provoquées par la circulation de l’air à travers le lit réactif sont supérieures à celles rencontrées dans la plupart des autres réacteurs solide/gaz, cependant elles sont équivalentes
10. Les contre-indications sont relevées en rouge dans le tableau
à celles d’un lit fixe, ce qui reste rentable, d’un point de vue énergétique [25, 52, 91].
En ce qui concerne le coût des réacteurs, on peut dire qu’en général les réacteurs pneuma-tiques sont plus économiques que les réacteurs mécaniques (avancement ou agitation du solide), cependant leurs coûts de fonctionnement sont plus élevés. Mais cela dépend très fortement des op-timisations apportées au procédé. En effet, dans le cadre d’une application industrielle, certaines voies d’optimisation peuvent être envisagées. Par exemple, dans le cas de réacteurs continus, il est possible d’associer plusieurs réacteurs en série, de manière à augmenter le taux d’hydratation ou de déshydratation [103] ou en parallèle, afin d’augmenter la capacité de l’installation [103] et la souplesse du procédé [101]. Cependant ces mesures ont une influence sur le volume occupé par le procédé et diminuent donc la densité énergétique globale. Elles sont à imaginer au cas par cas, en fonction des besoins énergétiques et des spécificités de l’installation.
Au regard de ces conclusions, un réacteur à lit mobile à courant croisé, malgré les pertes de charge qu’il implique, est une bonne solution pour la mise en place d’un procédé de stockage à réacteur séparé car il est adapté à la gamme de granulométrie visée et il regroupe plusieurs critères important : un bon contact solide/gaz, la possibilité de travailler en continu, l’absence de brassage du solide, la simplicité et la compacité. C’est ce choix qui sera étudié dans la suite de ce projet.