FR2931368A1 - Nouveau reacteur echangeur a tubes baionnette entourees de cheminees en ciment. - Google Patents

Nouveau reacteur echangeur a tubes baionnette entourees de cheminees en ciment. Download PDF

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Abstract

Réacteur échangeur pour la mise en oeuvre de réactions fortement endothermiques, consistant en une calandre de forme cylindrique (1) fermée à sa partie supérieure par un fond bombé supérieur (2) et à sa partie inférieure par un fond bombé inférieur (3), la dite calandre enfermant une pluralité de tubes à baïonnette (4) parallèles entre eux et s'étendant selon un axe sensiblement vertical, à l'intérieur desquels circule le fluide réactionnel, le fluide caloporteur étant introduit dans la calandre par le fond inférieur (3) et circulant autour des tubes à baïonnette dans des cheminées (13), les dites cheminées étant délimitées par des conduits découpés à l'intérieur d'un massif en ciment (11) reposant sur le fond inférieur (3), et s'étendant jusqu'à une hauteur (H) inférieure ou égale à la hauteur totale des tubes à baïonnette (4).

Description

DOMAINE DE L'INVENTION Le domaine de la présente invention est celui des réacteurs échangeurs destinés à la mise en oeuvre de réactions fortement endothermiques, telle que la réaction de vaporeformage de 5 coupes hydrocarbures en vue de la production du gaz de synthèse. On appelle réacteur échangeur un réacteur dans lequel l'apport de chaleur nécessaire au déroulement de la réaction est effectué au moyen d'un fluide caloporteur généré à l'extérieur du réacteur lui même. Par extension, on inclut dans le cadre de la présente invention le cas où le fluide caloporteur est généré à l'intérieur même du réacteur échangeur. 10 La réaction chimique catalytique se déroule à l'intérieur d'une pluralité de tubes disposés en parallèle de manière sensiblement verticale, et le fluide caloporteur circule à l'extérieur de ces tubes. L'homme du métier parle de "côté tube" pour désigner ce qui a trait à la réaction chimique et à l'écoulement du fluide réactionnel, et de "côté calandre" pour désigner ce qui se rapporte à l'écoulement du fluide caloporteur et à l'échange de chaleur depuis le fluide 15 caloporteur vers le fluide réactionnel circulant à l'intérieur des tubes. Dans le cadre de la présente invention, les tubes réactionnels sont de type baïonnette, c'est à dire que chaque tube est constitué d'un premier tube intérieur ouvert à ses deux extrémités, entouré d'un second tube extérieur fermé à l'une de ses extrémités, entourant le tube intérieur et définissant un espace annulaire. Dans la configuration de circulation préférée dans le cadre 20 de la présente invention, le fluide réactionnel est introduit dans la zone annulaire, circule à l'intérieur de la zone annulaire, puis après un retournement à 180°, passe à l'intérieur du tube interne duquel l'effluent réactionnel est extrait . Un des avantages de la présente invention est de permettre au fluide caloporteur d'être introduit ou généré à l'intérieur du réacteur échangeur à des niveaux de température pouvant 25 atteindre 1200°C et aller jusqu'à 1500°C, et d'être canalisé à l'intérieur de cheminées au moins en partie réalisées en ciment, chaque cheminée entourant chaque tube à baïonnette de manière à obtenir des vitesses de circulation élevées à l'intérieur des dites cheminées permettant d'optimiser le transfert de chaleur vers le fluide réactionnel. 30 EXAMEN DE L'ART ANTERIEUR La demande de brevet FR N° 07/05.316 décrit un réacteur échangeur à tube à baïonnette permettant de gérer des différences de pression pouvant aller jusqu'à 100 bars (1 bar = 0,1 MPa) entre le côté tube et le côté calandre.
La demande citée fait également appel à un système de cheminées entourant les tubes à baïonnette, ces cheminées étant constituées d'-un tube généralement métallique entourant chaque tube à baïonnette, ledit tube métallique étant supporté par une plaque tubulaire placée en partie supérieure du réacteur. Dans le cas de cheminées métalliques, il n'est pas possible d'admettre le fluide caloporteur à des températures supérieures à 1200°C, voire même supérieure à 1100°C, ceci quelle que soit la métallurgie choisie. Ceci constitue une limitation contraignante lorsqu'on désire réaliser un transfert de chaleur à partir d'un fluide caloporteur disponible à une température pouvant atteindre 1300°C. Le document de présentation de la technologie commercialisée par Synetics intitulé "Synetix's Advanced Gas Heated Reformer", décrit un réacteur échangeur de petite capacité à tubes à baïonnette avec plaque tubulaire. Cependant, dans ce réacteur, les gaz chauds utilisés comme fluide caloporteur n'excèdent pas 1000"C, ce qui ne pose aucun problème pour la réalisation des cheminées métalliques entourant les tubes à baïonnette. De plus, pour des réacteurs de grande capacité, le diamètre du réacteur, donc de la plaque tubulaire ayant à supporter les cheminées, peut dépasser 3 mètres, et pour des diamètres de cette valeur, la plaque tubulaire atteint rapidement des épaisseurs supérieures à 300 mm qui en rendent le coût très élevé et la construction difficile. La présente invention permet à la fois de dépasser la limite de température d'admission du fluide caloporteur à l'intérieur des cheminées, et de supprimer la plaque tubulaire de support desdites cheminées. Il en résulte la possibilité de dimensionner le réacteur échangeur selon l'invention de façon à atteindre des capacités de 150 000 Nm3/heure d'hydrogène grâce à un réacteur de 12 mètres de diamètre environ, dans ].e cas du vaporéformage de gaz naturel. Un autre avantage de l'invention réside dans sa mise en oeuvre facilitée lors de l'installation des tubes à baïonnette, qui sont glissés à l'intérieur des cheminées dont la partie inférieure est réalisé en ciment. Le réacteur échangeur selon la présente invention peut être également dimensionné pour des capacités inférieures.
DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La figure 1 représente une vue du réacteur échangeur avec quatre tubes à baïonnette entourés de cheminées en ciment sur toute leur longueur (HT). L'entrée et la sortie du tube à baïonnette se font à l'extérieur du réacteur.
La figure 2 représente une vue du réacteur avec quatre tubes à baïonnette et une cheminée ayant une première partie en ciment de hauteur (HC), et une seconde partie métallique et/ou céramique. L'entrée et la sortie du tube à baïonnette se fait à l'extérieur du réacteur. La figure 3 représente une vue de la partie inférieure du réacteur échangeur avec un massif en ciment ayant une surface inférieure globalement en forme de voûte.
La figure 4 représente une vue de la partie inférieure du réacteur échangeur avec un massif en ciment ayant une surface inférieure en forme de plusieurs arches. La figure 5 représente une vue de la partie inférieure d'un tube à baïonnette entourée d'une cheminée en ciment de forme conique, suivie d'une cheminée métallique et/ou céramique.
DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTION La présente invention peut être définie comme un réacteur échangeur adapté à la mise en oeuvre de réactions fortement endothermiques, le réacteur consistant en une calandre de forme cylindrique (1) fermée à sa partie supérieure par un fond bombé supérieur (2) et à sa partie inférieure par un fond bombé inférieur (3), la dite calandre enfermant une pluralité de tubes à baïonnette (4) parallèles et s'étendant selon un axe sensiblement vertical, le fluide réactionnel circulant à l'intérieur de la partie annulaire (8) des tubes à baïonnette (4) remplie au moins en partie de catalyseur sur une hauteur (HR). Le fluide caloporteur est introduit dans la calandre par le fond inférieur (3) et circule autour des tubes à baïonnette (4) dans des cheminées (13) de hauteur totale (HT), les dites cheminées étant dans leur partie inférieure délimitées par des conduits cylindriques découpés à l'intérieur d'un massif en ciment (11) reposant sur le fond inférieur (3), et s'étendant jusqu'à une hauteur (HC) inférieure ou égale à la hauteur totale (HT). De manière générale, la hauteur totale (HT) des cheminées est inférieure égale ou supérieure à la hauteur catalytique (HR). De manière préférée, la dite hauteur totale (HT) est inférieure ou égale à la hauteur catalytique 30 (HR) des tubes à baïonnette (4). Les tubes à baïonnette (4) comportent une zone dite "réactionnelle" remplie de catalyseur et s'étendant sur une hauteur (HR). La hauteur de cette portion réactionnelle (HR) des tubes à baïonnette, dite hauteur catalytique (HR) est généralement inférieure à la hauteur totale (HB) desdits tubes, mais peut éventuellement lui être égale. De manière conventionnelle, toutes les hauteurs sont repérées par rapport à une hauteur de base (H=0) qui correspond à l'extrémité inférieure des tubes à baïonnette (4).
La hauteur totale (HB) des tubes à baïonnette est inférieure à la hauteur totale du réacteur puisque les tubes à baïonnette ne s'étendent pas vers le bas jusqu'au fond inférieur (3). En revanche, en fonction du mode de supportage, les tubes à baïonnette peuvent, dans certains cas, traverser le fond bombé supérieur (2). On entend donc par hauteur totale (HB) des tubes à baïonnette, la longueur desdits tubes prise à l'intérieur du réacteur échangeur.
La hauteur réactionnelle (HR) est généralement supérieure à 50% de la hauteur totale (HB) des tubes à baïonnette, et préférentiellement supérieure à 60 % de ladite hauteur totale (HB). Dans une première variante du réacteur échangeur selon l'invention, les cheminées (13) sont en ciment sur toute leur longueur (HT). Dans cette variante on a donc (HC) = (HT) et (HT) inférieure ou égale à (HR).
Dans une seconde variante du réacteur échangeur selon l'invention, les cheminées en ciment (13) ne s'étendent pas sur la totalité de la hauteur (HT) desdites cheminées. Les cheminées (13) sont alors définies dans leur partie inférieure par les conduits découpés à l'intérieur du massif en ciment (11), et sont prolongées dans leur partie supérieure par des tubes métalliques et/ou céramiques (10) reposant sur la face supérieure (20) du massif en ciment (11). Pour la clarté de la description, on désigne par (13) les cheminées "en ciment", et par (10) les cheminées dans la partie métallique et/ou céramique. On a toujours (HT) inférieure ou égale à (HR). L'expression métallique et/ou céramique signifie que la partie supérieure des cheminées (10) peut être réalisée par une combinaison quelconque de tronçons métallique et de tronçon en céramique. On parle de manière équivalente d'un assemblage métal / céramique. Bien entendu, cela inclut le cas où la partie supérieure des cheminées (10) est entièrement métallique ou entièrement en céramique. Dans la variante où les cheminées sont entièrement en ciment, on les désigne par (13). Dans la variante où les cheminées sont dans leur partie inférieure en ciment, puis dans leur partie supérieure métallique et /ou céramique, on les désigne globalement par (13), sauf si on a vraiment à distinguer la partie métallique et/ou céramique (10).
On désigne par (9) l'espace annulaire s'étendant entre la paroi du tube externe (6) constituant une partie du tube à baïonnette (4), et la paroi de la cheminée, que celle ci soit en ciment (13), ou métallique et/ou céramique (10). Le terme "découpé" ne signifie pas que les conduits ont été découpés dans le ciment, mais que 5 les conduits correspondants ont été réservés au moment de couler le ciment par tout moyen connu de l'homme du métier. La hauteur sur laquelle s'étend le massif en ciment (11) est déterminée par la température du fluide caloporteur qui, à partir d'une certaine valeur généralement comprise entre 600°C et 900°C, permet de prolonger les cheminées par une enveloppe métallique et/ou céramique (10) 10 en restant, dans le cas métallique, dans une métallurgie conventionnelle. Une des céramiques envisageable est le Carbure de Silicium (SiC ou carborundum). Le fluide caloporteur est introduit par le fond bombé inférieur (3) du réacteur au moyen de la tubulure d'introduction (F), se répartit dans les différentes cheminées en ciment (13) et est collecté dans la partie supérieure du réacteur par la tubulure de collecte (G). 15 Le réacteur selon l'invention s'applique particulièrement à un fluide caloporteur disponible à une température supérieure à 1000°C, voire supérieure à 1200°C. Il peut s'agir en particulier d'un fluide caloporteur généré par un brûleur placé à l'intérieur même du réacteur échangeur, généralement au niveau du fond bombé inférieur (3). La première partie de cheminées en ciment (13) est donc nécessaire pour atteindre, au niveau 20 du fluide caloporteur, la température à partir de laquelle les cheminées peuvent être prolongées par un tube métallique (10), réalisé dans une métallurgie adaptée, et/ou céramique. Le massif en ciment (11) sera choisi dans un matériau de type réfractaire d'une masse volumique comprise entre 500 kg/m3 et 2500 kg/m3, et ayant une composition en Al2O3, SiO2, CaO, Fe2O3, P2O5, telle que ce ciment puisse résister à des températures pouvant 25 atteindre 1500°C. Par exemple, ce ciment peut être un ciment de type VIBRON 160 H ou le réfractaire GOLITE 125 XLW commercialisés par la société GOUDA. La nature du ciment, et particulièrement sa masse volumique, peuvent varier en fonction de l'emplacement. et de la forme de la partie en ciment considérée. Le réacteur échangeur selon la présente invention présente des conduits verticaux découpés 30 dans le massif en ciment (11) définissant les cheminées en ciment (13). L'espace annulaire (9) compris entre la paroi des cheminées en ciment (13) et le tube externe (6), peut avoir une forme cylindrique ou bien, de manière préférée, une forme sensiblement conique de manière à moduler la vitesse de circulation du fluide caloporteur à l'intérieur de l'espace annulaire (9) entre une valeur comprise entre 10 m/s et 80 m/s, et préférentiellement comprise entre 20 m/s et 60 m/s. Dans une variante du réacteur échangeur selon l'invention, la hauteur des cheminées en 5 ciment (13) s'étend sur toute la longueur des tubes à baïonnette (4) correspondant à la partie réactionnelle, dite en abrégé "longueur réactionnelle" (HR). Lorsque le diamètre du réacteur est supérieur à 3 mètres, ce qui correspond à la majeure partie des cas, l'entrée et la sortie de chaque tube à baïonnette (4) se fait à l'extérieur du réacteur. Le massif en ciment (11) présente une section supérieure (20) approximativement plane et 10 une section inférieure (21) qui peut avoir des formes diverses, par exemple celle d'une voûte unique, ladite voûte étant reliée au fond bombé inférieur (3) par l'intermédiaire de piliers (12) également en ciment. Selon une autre variante du réacteur, le massif en ciment présente une section supérieure (20) approximativement plane et une section inférieure (21) constituée d'une série d'arches, chaque 15 arche étant reliée au fond bombé inférieur (3) par des piliers (12) également en ciment. Lorsque la partie supérieure des cheminées (10) est constituée d'un tube métallique et/ou céramique, ce dernier repose sur la section supérieure (20) du massif en ciment (11). De manière générale, l'extrapolation du réacteur se fait par le nombre des tubes à baïonnette, la longueur réactionnelle (c'est à dire la longueur du tube remplie de catalyseur) desdits tubes 20 à baïonnette étant généralement comprise entre 7 et 20 mètres, et préférentiellement comprise entre 8 et 17 mètres. La présente invention peut également se définir comme un procédé de vaporeformage d'une coupe hydrocarbonée utilisant le réacteur selon la présente invention, dans lequel la vitesse de circulation du fluide caloporteur à l'intérieur des cheminées (13) est comprise entre 10 et 80 25 m/s, et préférentiellement comprise entre 20 et 60 m/s. Le procédé de vaporéformage utilisant le réacteur selon la présente invention a généralement pour charge des coupes hydrocarbures ayant moins de 12 atomes de carbone, avec un rapport molaire vapeur d'eau sur hydrocarbures compris entre 2 et 6. Dans un cas particulier, particulièrement intéressant dans le contexte de la réduction des gaz à 30 effet de serre, le fluide caloporteur est constitué de fumées essentiellement constituées de vapeur d'eau, obtenues par la combustion d'hydrogène dans un brûleur situé à l'extérieur ou à l'intérieur du réacteur échangeur selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La description qui suit sera mieux comprise au moyen des figures annexées. La figure 1 représente une vue du réacteur échangeur selon l'invention dans une variante selon laquelle l'intégralité des cheminées (13) entourant chaque tube à baïonnette (4) est constituée de ciment. La hauteur totale (HT) des cheminées est donc égale à la hauteur (HC) de la partie en ciment, et la hauteur totale (HT) est inférieure ou égale à la hauteur de la zone catalytique (HR). Cette variante est dite "tout ciment". Le réacteur comprend une enveloppe cylindrique (1) fermée dans sa partie supérieure par un fond bornbé supérieur (2), et dans sa partie inférieure 10 par un fond bombé inférieur (3). Le fluide caloporteur est généralement admis pair le fond bombé inférieur (3) au moyen d'une tubulure (F) présentant un revêtement interne réfractaire, de manière à accepter un fluide caloporteur pouvant atteindre 1500°C. Le fluide caloporteur peut provenir de tout équipement de combustion générateur de fumées, généralement un brûleur situé à l'extérieur du réacteur 15 échangeur, pouvant fonctionner sur n'importe quel type de combustible hydrocarbure. Dans un cas particulier, ce combustible peul. être de l'hydrogène, ou un gaz riche en hydrogène, qui permet de générer des fumées exempt de CO2, ce qui dans le contexte actuel de réduction des gaz à effet de serre, peut être un avantage décisif. Le fluide caloporteur s'engage à l'intérieur des cheminées (13) entourant chaque tube à 20 baïonnette (4). La zone annulaire (9) séparant la paroi des cheminées (13) du tube externe (6) constituant le tube à baïonnette (4) est définie de manière à permettre au fluide caloporteur d'atteindre à l'intérieur des cheminées des vitesses comprises entre 10 m/s et 80 m/s, et préférentiellement comprises entre 20 m/s et 60 m/s. La zone annulaire (9) peut présenter un espacement variable de manière à permettre une 25 modulation de la vitesse du fluide caloporteur depuis le bas de la cheminée vers le haut de la cheminée. Généralement, la vitesse du fluide caloporteur au point le plus bas des cheminées (13) est comprise entre 10 m/s et 80 m/s, préférentiellement comprise entre 20 m/s et 60 m/s, et la vitesse du fluide caloporteur au point le plus haut des cheminées est comprise entre 10 m/s et 50 mis, préférentiellement comprise entre 20 m/s et 40 m/s . 30 Le profil de l'espacement de la zone annulaire (9) peut être quelconque, mais est le plus souvent conique, avec une diminution de l'espacement en allant de bas en haut de manière à
compenser l'augmentation de masse volumique du fluide caloporteur due au refroidissement de ce dernier. Le fluide caloporteur est évacué du réacteur échangeur dans sa partie supérieure au moyen de la tubulure (G).
Un tube à baïonnette (4) est constitué d'un tube interne (5) ouvert à ses deux extrémités entouré d'un tube externe (6) fermé à son extrémité inférieure. L'espace annulaire (8) compris entre le tube interne et le tube externe est généralement rempli de particules de catalyseur, au moins sur une partie de sa longueur, notée (HR). Généralement, le fluide réactionnel circule de manière descendante à l'intérieur de l'espace annulaire (8), puis remonte à l'intérieur du tube interne (5). D'autres modes de circulation sont néanmoins possibles, l'invention n'étant aucunement liée à la nature ascendante ou descendante de l'écoulement des fluides à l'intérieur des tubes à baïonnette (4). Les réactions mises en jeu dans le réacteur échangeur selon l'invention sont des réactions fortement endothermiques, telles que la réaction de vaporeformage de coupe hydrocarbures en vue de produire un gaz de synthèse. Dans ce cas, les particules de catalyseur ont généralement la forme de petits cylindres de 1 à 2 cm de hauteur, et de diamètre compris entre 1 et 2 cm. D'autres formes sont également possibles, notamment des formes plus complexes présentant à la périphérie des parties convexes et des parties concaves, l'invention n'étant aucunement liée à la forme des particules de catalyseur.
Le catalyseur occupe en partie ou en totalité l'espace annulaire compris entre le tube interne (5) et le tube externe (6) de chaque tube à baïonnette (4). En fonction de la capacité du réacteur échangeur, et plus particulièrement de son diamètre, le mode de supportage des tubes à baïonnette peut varier. Généralement pour des diamètres de réacteur inférieurs à 3 mètres, le supportage se fait au moyen d'une plaque tubulaire à laquelle sont suspendus les tubes à baïonnette (4). Pour des réacteurs de diamètre plus importants pouvant aller jusqu'à 15 mètres, le supportage est assuré directement par le fond bombé supérieur (2) sur lequel sont fixés les tubes grâce à une soudure directe, ou bien à l'aide un assemblage par brides permettant le démontage des tubes à baïonnette.
Dans le cas de réacteur de diamètre plus important, l'évacuation des effluents réactionnels du tube interne (5) se fait après que ledit tube interne (5) ait traversé le tube externe (6), tel que cela est représenté sur les figures 1 et 2.
Les tubes internes (5) sont reliés à un collecteur (S) permettant la collecte des effluents réactionnels, et les tubes externes (6) sont alimentés par un collecteur d'entrée (D), permettant la distribution des fluides réactionnels dans chaque tube à baïonnette (4). Le dimensionnement du réacteur se fait par multiplication des tubes à baïonnette, les tubes 5 ayant une longueur catalytique comprise entre 7 et 20 mètres, et préférentiellement comprise entre 8 et 17 mètres. La longueur catalytique correspond à la portion du tube remplie de catalyseur. Compte tenu du fait que dans une configuration particulièrement adaptée aux grandes capacités visées par la présente invention, l'entrée et la sortie des tubes à baïonnette se font à l'extérieur du 10 réacteur, la longueur totale du tube à baïonnette à l'intérieur du réacteur est comprise entre 15 et 20 mètres. L'augmentation du nombre de tubes à baïonnette: se traduit par une augmentation du diamètre du réacteur qui peut atteindre 20 mètres, mais se situe préférentiellement pour les grandes capacités visées dans la plage de 10 à 15 mètres. 15 La figure 2 est identique à la figure 1 à l'exception de la partie supérieure des cheminées (13) qui n'est plus en ciment mais devient métallique et/ou céramique (10). Plus précisément, le massif en ciment (Il) dans lequel sont découpées les cheminées (13) s'étend sur une certaine hauteur (HC) inférieure à la hauteur totale (HT) des cheminées (13). Au dessus de cette hauteur (HC), les cheminées (13) sont constituées d'un tube métallique et/ou céramique (10) 20 reposant sur la section supérieure (20) du massif en ciment (11). La configuration correspondante à cette solution est dite "mixte". La longueur totale (HT) des cheminées est toujours inférieure ou égale à la hauteur de la zone catalytique ( HR). La figure 3 représente un massif en ciment (1l) avec une face inférieure (21) en forme de voûte unique. Un mode de liaison possible du massif en ciment (11) avec le fond bombé (3) 25 du réacteur peut être constituée de piliers (12) s'intercalant entre les emplacements correspondants aux tubes à baïonnette (4). Ces piliers (12) peuvent être sensiblement verticaux, comme représentés sur la figure 3. lls peuvent dans certains cas, en fonction de contraintes purement géométriques, être plus ou moins inclinés. La figure 4 représente un massif en ciment (Il) avec une face inférieure (21) en forme de 30 voûte multiple, chaque voûte correspondant à une rangée de tubes à baïonnette. Les voûtes se prolongent par des piliers sensiblement verticaux (12) qui viennent s'appuyer sur le fond bombé (3).
D'autres configurations de la face inférieure (21) du massif en ciment (11) sont possibles, ainsi que des formes diverses d'éléments de liaison dudit massif (11) avec le fond bombé (3). Les configurations illustrées par les figures 3 et 4 ne sont nullement limitatives. La figure 5 représente de manière plus précise la configuration dite "mixte" correspondant à une partie inférieure des cheminées en ciment (13), et une partie supérieure des cheminées métallique et/ou céramique (10). L'espace annulaire (9) compris entre les cheminées en ciment (13) et le tube externe (6) est conique de manière à permettre une certaine accélération de la vitesse d'écoulement du fluide caloporteur de bas en haut. Cet espace annulaire (9) reste constant lorsque la paroi des cheminées (10) devient métallique ou céramique.
La figure 5 permet de visualiser l'emplacement des particules de catalyseur dans l'espace annulaire (8) compris entre le tube externe (6) et le tube interne (5) de chaque tube à baïonnette (4), et le fait que les cheminées métalliques et/ou céramique (10) reposent sur la face supérieure (20) du massif en ciment (11).
EXEMPLE Un exemple des dimensions et performances d'un réacteur selon l'invention est donné ci-après. Le réacteur est conforme à la figure 2 et présente des cheminées dont une première partie inférieure est en ciment (HC) et s'étend sur une hauteur de 4 mètres.
La partie supérieure des cheminées est métallique et s'étend sur une hauteur de 10 mètres. La hauteur totale des cheminées (HT) est de 14 mètres. La partie annulaire (8) des tubes à baïonnette (4) est remplie d'un catalyseur de vaporeformage sur une hauteur (HR) de 17 mètres. Les hauteurs sont toutes repérées par rapport à l'extrémité inférieure des tubes à baïonnette.
Le réacteur de vaporeformage traite un débit de 26550 kg/h de gaz naturel et de 76292 kg/h de vapeur d'eau (rapport H20/HC = 2,87) La charge du réacteur échangeur est constituée de gaz naturel (GN) de composition donnée dans le tableau ci dessous: Constituants %mol CH4 89 C2H6 7 C3H8 1 n-C4H10 0,05 i-C4H10 0,05 n-05H12 0,005 i-05H12 0,005 nCO2 2 nN2 0,89 TABLEAU 1 Les caractéristiques de fonctionnement du réacteur sont données ci dessous à titre purement illustratif: Débit de charge GN (avant ajout eau) : 26550 kg'h Rapport molaire H20/hydrocarbures (H20/HC) 2,87 Température d'entrée du gaz naturel = 371 °C Température de l'effluent en sortie de zone catalytique = 900°C Température de sortie de l'effluent = 632°C Les effluents du réacteur sont données dans le tableau 2 ci dessous: CH4 3,5 C2H6 0,0 C3H8 0,0 n-C4H10 0,0 H2O 31,0 H2 49,6 CO 10,8 CO2 5,1 N2 0,2 TABLEAU 2 L'entrée du gaz naturel se fait en partie supérieure des tubes à baïonnette, par le tube externe (6), dans l'espace annulaire (8) partiellement rempli de catalyseur.
11 La fin de la zone catalytique correspond à l'extrémité inférieure du tube à baïonnette, et la sortie de l'effluent réactionnel se fait en partie supérieure des tubes à baïonnette par le tube interne (5). La composition du fluide caloporteur (issu de la combustion d'un gaz riche en hydrogène dans 5 l'air) est donnée dans le tableau 3 ci dessous: Constituants %mol nO2 7,75 nCO2 1,06 nN2 63,05 nAr 0,74 nH2O 27,4 TABLEAU 3 Le débit du fluide caloporteur est de: 360 000 kg,h 10 La température d'entrée du fluide caloporteur est de: 1293°C Les dimensions du réacteur en tenant compte des contraintes mécaniques d'implantation des tubes à baïonnette sont: Diamètre externe des tubes à baïonnette : 170 mm Nombre de tubes à baïonnette : 321 tubes 15 Diamètre extérieur du réacteur : 10, 4 m Hauteur totale du réacteur : 20 m Hauteur des cheminées en ciment (HC) : 4 m Hauteur des cheminées métalliques (HT-HC) :10 m Hauteur totale des cheminées (HT): 14 m 20 Hauteur totale des tubes à baïonnette (HB): 20 m Hauteur catalytique (HR):17 m Le massif en ciment (11) est constitué d'une partie inférieure, incluant les piliers de raccordement (12) au fond bombé inférieur (3), réalisée en ciment réfractaire de masse 25 volumique 2500 kg/m3, et d'une partie supérieure réalisée dans un ciment réfractaire de masse volumique 500 kg/m3.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1) Réacteur échangeur adapté à la mise en oeuvre de réactions fortement endothermiques, consistant en une calandre de forme cylindrique (1) fermée à sa partie supérieure par un fond bombé supérieur (2) et à sa partie inférieure par un fond bombé inférieur (3), la dite calandre enfermant une pluralité de tubes à baïonnette (4) parallèles entre eux et s'étendant selon un axe sensiblement vertical, les dits tubes à baïonnette étant remplis de catalyseur dans leur partie annulaire sur une hauteur (HR), dite hauteur catalytique à l'intérieur de laquelle circule le fluide réactionnel, le fluide caloporteur étant introduit dans la calandre par le fond inférieur (3) et circulant autour des tubes à baïonnette (4) dans des cheminées (13) de hauteur totale (HT), les dites cheminées étant, dans leur partie inférieure, délimitées par des conduits découpés à l'intérieur d'un massif en ciment (11) reposant sur le fond inférieur (3) et s'étendant jusqu'à une hauteur (HC) inférieure ou égale à la hauteur totale (HT) des cheminées (13).
  2. 2) Réacteur échangeur selon la revendication 1, dans lequel la hauteur totale (HT) des cheminées est inférieure ou égale à la hauteur catalytique (HR) des tubes à baïonnette (4).
  3. 3) Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel les cheminées (13) comporte une partie inférieure de hauteur (HC) en ciment, suivie d'une partie supérieure soit métallique, soit céramique, soit composée d'un assemblage métal / céramique, la hauteur totale des cheminées (HT) étant inférieure à la hauteur de la zone catalytique (HR).
  4. 4) Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel, les cheminées (13) sont en ciment sur toute leur longueur (HT).
  5. 5) Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel, lorsque le diamètre du réacteur est supérieur à 3 mètres, l'entrée et la sortie de chaque tube à baïonnette (4) se fait à l'extérieur du réacteur. 30
  6. 6) Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le massif en ciment (Il) a une section supérieure (20) approximativement plane, et une section25inférieure (21) en forme de voûte unique, ladite voûte étant reliée au fond bombé inférieur (3) par l'intermédiaire de piliers (12) également en ciment.
  7. 7) Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le massif en ciment (11) a une section supérieure (20) approximativement plane, et une section inférieure (21) constituée d'une série d'arches, chaque arche étant reliée au fond bombé inférieur (3) par l'intermédiaire de piliers (12) également en ciment.
  8. 8) Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel lorsque la partie supérieure des cheminées est constituée d'un tube métallique (10), ce dernier repose sur la section supérieure (20) du massif en ciment (11).
  9. 9) Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel lorsque la partie supérieure des cheminées est constituée d'un tube céramique (10), ce dernier repose sur la section supérieure (20) du massif en ciment (11).
  10. 10) Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la longueur des tubes à baïonnette (4) correspondant à la partie réactionnelle de hauteur catalytique (HR), est comprise entre 7 et 20 mètres.
  11. 11) Procédé de vaporeformage d'une coupe hydrocarbonée utilisant le réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la vitesse de circulation du fluide caloporteur à l'intérieur des cheminées est comprise entre 10 et 80 m/s. 25
  12. 12) Procédé de vaporeformage d'une coupe hydrocarbonée selon la revendication 11, dans lequel le fluide caloporteur est constitué de fumées obtenues par la combustion d'hydrogène dans un brûleur situé à l'extérieur du réacteur échangeur.
  13. 13) Procédé de vaporeformage d'une coupe hydrocarbonée selon la revendication 11, dans 30 lequel la coupe hydrocarbonée est constituée de molécules à moins de 12 atomes de carbone, avec un rapport molaire vapeur d'eau sur hydrocarbures compris entre 2 et 6.20
  14. 14) procédé de vaporeformage d'une coupe hydrocarbonée selon la revendication 11, dans lequel ledit réacteur possède des cheminées (13) de section variable, typiquement conique, de manière à moduler la vitesse de circulation du fluide caloporteur à l'intérieur de l'espace annulaire (9) compris entre la paroi des cheminées (13) et le tube externe (5), entre une valeur comprise entre 10 et 80 m/s, et préférentiellement comprise entre 20 et 60 m/s.
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