FR2932698A1 - Dispositif de filtration et de predistribution pour reacteur a lit catalytique fixe et son utilisation. - Google Patents
Dispositif de filtration et de predistribution pour reacteur a lit catalytique fixe et son utilisation. Download PDFInfo
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Abstract
L'invention concerne un dispositif pour la filtration et la prédistribution (4) comprenant : - un plateau (5) plan perforé d'orifices, chaque orifice étant surplombé par une cheminée (6) creuse verticale comportant au moins une lumière traversant sa. paroi latérale, - un lit de filtration (7) disposé sur le plateau entourant lesdites cheminées, comportant au moins une couche d'éléments filtrants (8) creux de dimensions sont supérieures aux dimensions des lumières des cheminées, ledit élément filtrant étant obtenu par un enroulement en spires jointives et/ou non jointives d'un fil de section (s) de façon à comporter au moins une extrémité fermée et présentant un rapport surface libre (Slibre) de l'élément sur surface occupée (Sfil) par le fil compris entre 2 et 50%. L'invention concerne également l'utilisation de ce dispositif (4) pour la filtration et la prédistribution d'au moins un liquide chargé en particules en amont d'un lit catalytique fixe (12) d'un réacteur.
Description
DISPOSITIF DE FILTRATION ET DE PREDISTRIBUTION POUR REACTEUR A LIT CATALYTIQUE FIXE ET SON UTILISATION
DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine des réacteurs à lit(s) catalytique(s) fixe(s) alimentés par des fluides, liquides et/ou gazeux, pouvant fonctionner à co-courant descendant ou ascendant ou encore à contre-courant. L'invention propose un nouveau dispositif, situé en amont du lit catalytique, capable d'améliorer la filtration des fluides d'alimentation chargés en impuretés ainsi que leur distribution afin de limiter l'encrassement des couches superficielles du lit catalytique. Par la suite et au sens de l'invention, on entend par le terme fluide(s) , les liquides et gaz et par le terme particule(s) , l'ensemble des impuretés solides et liquides contenues dans les fluides. De même et sauf indication contraire, l'expression compris(e) entre une valeur X et une valeur Y , signifie un intervalle dans lequel les bornes X et Y sont incluses. Dans le cas des réacteurs catalytiques à lit(s) fixe(s) à écoulement diphasique de liquide et de gaz à co-courant descendant, le bon fonctionnement du réacteur repose essentiellement sur la gestion du chargement du catalyseur, de la distribution des phases et de la perte de charge à travers le lit catalytique. Les problèmes générés par une mauvaise distribution des fluides et l'augmentation de la perte de charge sont essentiellement liés à la présence de particules polluantes et colmatantes de natures différentes dont la taille peut varier l rri à 200 m et qui sont contenues dans les fluides d'alimentation. Dans le domaine du raffinage, les particules présentes dans les fluides de type hydrocarbures peuvent être des fines de catalyseur issues d'unités de craquage catalytique tel que le FCC (Fluid Catalytic Cracking) et dont les dimensions varient de 5 à 20 m, des particules de corrosion, appelées encore écailles de rouille , issues des installations de stockage et des unités métalliques situées en amont du réacteur, ou encore des particules de cokage provenant des échangeurs. Par leurs dépôts sur ou entre les grains de catalyseur, ces particules peuvent rapidement provoquer
l'augmentation de la perte de charge à travers le lit catalytique et réduire fortement les performances du réacteur. L'invention s'attache à résoudre les problèmes liés à la distribution des fluides et à la perte de charge en proposant un nouveau dispositif de filtration et de distribution des fluides d'alimentation. Ledit dispositif de l'invention vise notamment à réduire fortement l'encrassement du lit catalytique en exerçant, en amont du catalyseur, une filtration efficace des fluides d'alimentation. De manière générale dans un réacteur catalytique à lit fixe fonctionnant à co-courant descendant de gaz et de liquide, le procédé débute par la distribution simultanément des fluides d'alimentation en tête de réacteur. Dès cette étape, la qualité de la distribution du liquide en direction du lit catalytique est primordiale. Pour cela, le liquide doit être réparti en pluie fine et régulière. A cet effet et selon une configuration préférée de réacteur, le liquide chargé en particules est dispersé sous forme de jets homogènes et multidirectionnels par le diffuseur de charge(s) puis fractionné au mornent de son passage à travers un plateau répartiteur à trous (plateau de prédistribution perforé de 40 à 100 orifices par mètre carré de section droite du lit catalytique). Le problème rencontré à ce niveau est lié au fait que les particules polluantes contenues dans le liquide peuvent boucher les orifices du plateau et engendrer des défauts de distribution de la phase liquide. Les fluides atteignent ensuite un plateau de distribution perforé (plateau distributeur) servant de support à des cheminées. Ce plateau permet le mélange entre le liquide et le gaz au sein des cheminées (l'extrémité supérieure semi- ouverte des cheminées autorise le passage du gaz réactif tandis que des lumières situées en partie basse permettent le passage du liquide). En sortie de cheminée, le mélange diphasique traverse, par écoulement piston, plusieurs couches de 10 à 15 cm d'épaisseur de billes inertes pleines constituées de silice et d'alumine. De l'amont vers l'aval, ces couches sont habituellement réparties selon un gradient de granulométrie décroissant. Ces billes inertes ont pour rôle de diviser le flux de charge et de le redistribuer afin d'éviter la création de circuits préférentiels, sources de points chauds et de cokage dans le lit catalytique. Au dessous des billes inertes et stabilisé par celles-ci, le lit catalytique peut s'étendre sur
une hauteur de 5 à 10 m. Suivant le cheminement du liquide, les particules polluantes de petites dimensions traversent les couches de billes inertes et s'accumulent en superficie du lit catalytique. Il en résulte une obstruction progressive des zones interstitielles libres situées entre les grains de catalyseur. Cet encrassement progressif des couches du lit catalytique peut avoir pour effets d'augmenter graduellement la perte de charge à travers le lit catalytique et de boucher les cheminées de mélange provoquant ensuite la déformation du plateau de distribution et la mauvaise répartition des fluides sur le lit catalytique. Il peut être alors nécessaire d'arrêter prématurément l'unité afin de changer tout ou partie du catalyseur et ceci avant même que le catalyseur ait totalement perdu son activité catalytique. La périodicité des interventions peut fortement varier. Habituellement, les arrêts sont réalisés tous les 12 à 18 mois afin d'effectuer la recharge en catalyseur neuf et billes neuves. Il est cependant parfois nécessaire d'effectuer, tous les 2 à 3 mois, des opérations d'écroutage du catalyseur. Chacun de ces arrêts d'unité pour des interventions sur le lit catalytique (écroutage ou remplacement de catalyseur) ont un impact financier considérable. Il apparaît donc essentiel de les éviter et de chercher à prolonger significativement l'activité du catalyseur. L'invention vise à satisfaire ces besoins en proposant un nouveau dispositif de filtration et de distribution des fluides situé en amont du plateau de distribution. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Pour améliorer la filtration de la charge liquide et sa distribution, de nombreux dispositifs ont été proposés antérieurement. Les technologies les plus représentatives du domaine étudié sont décrites ci après : Dans le brevet US3992282, il est proposé d'utiliser des paniers à écailles traversant successivement une couche de billes inertes puis le lit catalytique. Lorsque la partie supérieure du lit catalytique est encrassée, la charge contourne la croûte formée à la surface du catalyseur en cheminant dans les paniers. La maille qui constitue la moitié inférieure du panier laisse sortir la charge vers les couches inférieures du catalyseur tout en piégeant les particules ou écailles contenues en elle. Ce dispositif présente cependant des inconvénients :
La portion maillée du panier peut rapidement être obstruée par les impuretés de la charge et de ce fait, la durée de cycle du lit catalytique n'est pas significativement allongée. - La répartition des fluides peut être perturbée si les paniers à écailles ne sont pas répartis de façon homogène et positionnés verticalement. Une telle disposition semble difficile à obtenir. Le brevet US43139O8 décrit un réacteur dans lequel un lit catalytique auxiliaire est inséré en aval d'un plateau distributeur supportant des cheminées et en amont du lit catalytique principal. Des tubes de deux longueurs différentes, disposés en alternance, traversent de part en part le lit auxiliaire. Lorsque le lit auxiliaire est encrassé, le liquide choisit le chemin de moindre résistance. Ainsi la charge liquide traverse les tubes de petites longueurs par débordement tandis que le gaz continue de traverser les tubes de plus grande longueur. Ce dispositif permet de contourner la croûte du lit catalytique auxiliaire et d'atteindre le lit catalytique principal. La durée d'activité du réacteur en est ainsi prolongée. Ce dispositif présente cependant des inconvénients. En effet, pour mettre en oeuvre cette technologie, il est nécessaire d'augmenter les dimensions du réacteur afin de maintenir un volume identique de catalyseur du lit principal et d'installer une nouvelle grille de support de catalyseur nécessitant pour cela des opérations de soudure dans le réacteur. De plus, il n'est pas aisé de contrôler les débits de gaz et de liquide au cours de la réaction puisque le cheminement du liquide diffère en début et en fin de fonctionnement contrairement à celui du gaz.
Comme le brevet cité précédemment, le brevet EP12OO183 propose des dispositifs ayant pour but de diminuer la perte de charge en modifiant le cheminement des fluides. Ce brevet concerne notamment un dispositif de dérivation inséré à l'intérieur du lit catalytique. Ce dispositif est constitué d'un premier élément cage tubulaire contenant en son centre un second élément allongé creux destiné à recevoir la charge dès lors que la couche supérieure du lit catalytique est encrassée. Le flux de charge est ainsi distribué vers les couches inférieures du lit catalytique sans perte de charge significative. Cette solution n'est cependant pas optimale car, comme les précédentes, elle occupe un volume non
négligeable de lit catalytique réduisant d'autant la capacité de ce dernier à réagir avec la charge. La demande de brevet FR 2 229 759, propose des dispositifs de filtration fixés sur un plateau situé en amont du lit catalytique. Une telle unité de filtration peut être constituée de deux cylindres coaxiaux entre eux et par rapport au réacteur. Le cylindre intérieur est fermé en son sommet et ouvert en son fond, tandis que cette configuration est inversée pour le cylindre extérieur. Les parois des cylindres sont perforées et la chambre entre les cylindres peut contenir de la matière catalytique identique ou différente de celle du lit catalytique. La charge contenant les particules pénètre dans le cylindre extérieur où elle est filtrée puis ressort par le fond ouvert du cylindre intérieur pour entrer en contact avec le lit catalytique. L'inconvénient de ce dispositif réside dans le fait que les cartouches filtrantes peuvent s'encrasser pouvant conduire à l'encombrement complet du plateau puis à l'arrêt du réacteur. Enfin, le brevet FR 2 889 973 présente un dispositif de filtration et de distribution des phases gazeuse et liquide constitué d'un plateau perforé situé en amont du lit catalytique et sur lequel sont fixées des cheminées de mélange. Un lit de filtration, constitué de différentes couches de particules, est supporté par le plateau et entoure les cheminées. Chaque cheminée peut être séparée du lit de filtration au moyen d'une grille dont la taille de la maille est inférieure à celle des particules du lit de filtration. Au sens de ce brevet, les particules constituant le lit catalytique sont des particules inertes formées de silice ou d'alumine, des particules actives vis-à-vis de la réaction chimique mise en jeu sur le lit catalytique ou encore des éléments de garnissage structuré. Le lit de filtration est constitué d'au moins une couche de particules de taille inférieure ou égale à la taille des particules du lit catalytique. Le gaz pénètre dans les cheminées par les ouvertures supérieures tandis que le liquide traverse le lit de filtration et pénètre ensuite dans les cheminées par des fentes latérales. Le lit de filtration se colmate progressivement en commençant par les couches inférieures et doit être remplacé au moins tous les 6 mois. L'efficacité de ce dispositif peut être limitée par le bouchage partiel ou total des grilles circulaires
puis des cheminées provoquant une mauvaise répartition du liquide sur le reste des cheminées encore ouvertes ainsi qu'une augmentation de la perte de charge. De plus, la présence d'orifices sur le plateau ne favorise pas le mélange entre les phases gazeuses et liquide au sein de la cheminée puisque le liquide peut traverser le lit de filtration puis s'évacuer par les orifices du plateau sans pénétrer dans la cheminée où circule le gaz. La présente invention vise à résoudre les problèmes rencontrés dans l'art antérieur. L'invention propose donc un nouveau dispositif de filtration et de distribution des fluides d'alimentation, capable de réduire l'encrassement des couches supérieures du lit catalytique en vue de prolonger l'activité du catalyseur. Le principal avantage dudit dispositif est de maximiser le volume utile du lit catalytique en se positionnant en amont de celui-ci, de préférence, en amont du plateau distributeur. A ce titre et en comparaison avec le plateau distributeur, le dispositif de l'invention sera par la suite qualifié de dispositif de pré distribution des fluides. Les autres avantages de l'invention seront mis en évidence par les exemples. DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif pour la filtration et la prédistribution d'au moins un fluide chargé en particules alimentant un réacteur comportant au moins un lit catalytique fixe. Ledit réacteur à lit(s) catalytique(s) fixe(s) peut être alimenté par des fluides, liquides et/ou gazeux, et peut fonctionner à co-courant descendant ou ascendant ou encore à contre-courant. Dans un tel réacteur, le dispositif de l'invention est situé en amont du lit catalytique, de préférence en amont du plateau distributeur lequel peut servir de support à des cheminées de mélange. Dans un mode de réalisation où le réacteur ne comporte qu'un seul lit catalytique fixe, le dispositif de l'invention est positionné dans l'espace libre situé entre le diffuseur de fluide(s) et le plateau distributeur. Dans un autre mode de réalisation où le réacteur comporte plus d'un lit catalytique fixe, il peut y avoir autant de dispositifs que de lits catalytiques. Dans cette configuration, chaque dispositif supplémentaire selon l'invention est, de préférence, positionné entre la boîte de quench
assurant le refroidissement par trempe du réacteur et le plateau répartiteur à trous situé en aval ou, à défaut de ce dernier, entre la boîte de quench et le plateau distributeur. Dans la présente demande, les termes amont et aval sont à comprendre par rapport à un écoulement descendant dans le réacteur. Le dispositif de l'invention comprend : - un plateau plan perforé d'orifices, destiné à être placé parallèlement à la section transversale du réacteur. Chaque orifice du plateau est surplombé par une cheminée creuse verticale comportant au moins une lumière traversant sa paroi latérale de part en part ; - un lit de filtration disposé sur le plateau perforé et entourant lesdites cheminées, le lit de filtration comportant au moins une couche d'éléments filtrants creux dont les dimensions sont supérieures aux dimensions des lumières des cheminées, chaque élément filtrant étant obtenu par un enroulement en spires jointives et/ou non jointives d'un fil de section (s) de façon à comporter au moins une extrémité fermée et présentant un rapport surface libre (Slibre) de l'élément sur surface occupée (Sal) par le fil compris entre 2 et 50%. Avantageusement, chaque cheminée est amovible. En fonction des propriétés du fluide à traiter et de la taille des éléments filtrants choisis pour épurer ledit fluide, il est alors possible d'adapter au plateau plan perforé de prédistribution, des cheminées dont les dimensions de la ou des lumières sont inférieures à la plus petite dimension des éléments filtrants qui l'entoure, de sorte que ces éléments filtrants ne peuvent pénétrer dans la cheminée par la lumière. Avantageusement, ladite au moins une lumière de chaque cheminée s'étend suivant une trajectoire sensiblement en forme d'hélice le long de la paroi latérale de la cheminée. L'axe de cette trajectoire en forme d'hélice est donc confondu avec l'axe vertical de la cheminée, le pas de cette trajectoire pouvant être variable. Cette lumière peut s'étendre de manière continue ou discontinue le long de la trajectoire. La réalisation de cheminées pourvues chacune d'une lumière continue sur sensiblement toute la hauteur de la cheminée, présente l'avantage de favoriser la circulation du gaz au travers de la
cheminée et d'éviter son bouchage. De plus, une telle cheminée peut être facilement désencrassée par vibration, par exemple par les vibrations induites par une incurvation ou étirement suivie d'un relâchement de la cheminée.
Les orifices du plateau plan perforé de prédistribution sont régulièrement arrangés de manière à présenter une densité de répartition comprise entre 5 et 150 orifices par m2 de surface du plateau, de préférence entre 30 et 1O0 orifices par m2 de surface du plateau. Le plateau plan perforé du dispositif se situe, de préférence, en lieu et place du plateau de prédistribution standard et repose de ce fait sur les poutres support existant déjà à l'intérieur du réacteur. Le plateau plan perforé du dispositif épouse donc, par sa forme et ses dimensions, la section transversale interne du réacteur. De préférence, et quelque soit sa géométrie, chaque cheminée est obtenue par enroulement d'un fil de section (s') en spires non jointives de pas constant sur toute sa hauteur, celle-ci étant par exemple comprise entre 100 et 1500 mm, de préférence entre 150 et 600 mm. Dans ce cas d'une cheminée obtenue par enroulement en spires d'un fil, le pas de la spire sera alors choisi inférieur à la plus petite dimension des éléments filtrants, associés éventuellement à d'autres éléments, qui l'entourent. En variante, le pas des spires peut être variable suivant la hauteur de la cheminée, des zones de spires jointives alternant par exemple avec des zones de spires non jointives.
L'enroulement du fil constituant la cheminée pouvant s'apparenter à celui d'un ressort, il est possible de lui donner toute géométrie, par exemple cylindrique, sphérique, tonneau, amphore, conique, oblong, carré, polygonaux et toute section par exemple ronde, carrée, rectangulaire, triangulaire, ovale... Selon la géométrie de la cheminée, la trajectoire de la lumière ou des lumières peut ne pas être en forme d'hélice régulière. De préférence, les cheminées selon l'invention sont cylindriques et leurs lumières latérales décrivent une hélice dont le pas peut être variable.
Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, les c:heminées sont en forme de cylindre de diamètre intérieur Di' au moins égal à celui d'un orifice circulaire du plateau perforé, de hauteur totale comprise entre 100 et 1500 mm et dont la lumière en forme d'hélice est à pas constant sur toute la hauteur de la cheminée. Les paramètres préférés d'une telle cheminée sont les suivants : ^ Hauteur: entre 150 et 600 mm, de préférence égale à 300 mm. ^ Diamètre intérieur: entre 20 et 500 mm, de préférence égal à 60 mm. ^ Matériau du cylindre : tout matériau capable de résister aux contraintes de pression et de température du réacteur, de préférence de l'acier inoxydable de type INOX 321. 316L ou 304. ^ Lorsque la cheminée est obtenue par enroulement d'un fil (F') de section (s') en spires non jointives de pas constant sur toute sa hauteur, alors le pas de la spire non jointive est inférieur à 50 mm, de préférence inférieur à 20 rnm. ^ Diamètre du fil constituant le cylindre : entre 5 et 15 mm. De préférence, chaque cheminée est en forme de cylindre et présente des extrémités ouvertes dont l'une au moins se termine par un retour radial (ergot) du fil de section (s') de longueur comprise entre 1/3 et 2/3 du diamètre du cylindre. Avantageusement, au moins une extrémité de la cheminée est conformée de manière à pouvoir être emboîtée manuellement et réversiblement sur un manchon cylindrique. De préférence, ce manchon est apte à être solidarisé à un orifice dudit plateau perforé, ce qui permet de monter et démonter facilement la cheminée du plateau perforé. De préférence, les deux extrémités de la cheminée sont conformées de cette manière.
Dans le cas où la cheminée est pourvue d'un retour radial, le manchon est par exemple muni d'une encoche dont la géométrie autorise un assemblage de type mâle/femelle avec le retour radial. Avantageusement, une des extrémités de la cheminée est. pourvue d'un manchon inséré dans un orifice du plateau perforé et l'autre
extrémité de la cheminée est pourvue d'un manchon recouvert d'un élément coiffant. Les cheminées insérées sur le plateau plan perforé sont, de préférence, identiques entre elles en dimensions et en forme.
La cheminée est réalisée en tout matériau capable de résister aux conditions extrêmes de pression, de température et de corrosion des procédés industriels, tels que les matériaux métalliques (acier, acier inoxydable, bronze, bronze béryllium ...), alliages ( Monel , Inconel ...), céramique, plastique (polypropylène, PVDF, C-PVC, PFA, ETFE, ECTFE, PTFE...), composites, graphite, verre. De préférence, la cheminée est en acier inoxydable ou acier. Selon l'invention, chaque cheminée du dispositif est entourée par un lit de filtration. Chaque cheminée dépasse par exemple le niveau du lit de filtration d'une hauteur comprise entre 20 et 70 mm, de préférence entre 30 et 60 mm. Avantageusement, la hauteur totale du lit de filtration est comprise entre 100 et 500 mm. L'élément filtrant est obtenu par un enroulement en spires jointives et/ou non jointives d'un fil de section (s) de façon à comporter au moins une extrémité fermée et présentant un rapport surface libre (Siibre) de l'élément sur surface occupée (Sf1) par le fil compris entre 2 et 50%, de préférence entre 5 et 30%, de préférence encore entre 15 et 25%. Par surface occupée par le fil (Sa1), on entend la surface occupée par le fil lorsque l'élément creux est développé, sur toute sa périphérie, sur un plan disposé perpendiculairement à l'axe d'enroulement de ses spires, la surface libre (Siibre) correspondant alors à la surface non occupée par le fil sur cette projection. De préférence l'élément creux est obtenu par l'enroulement en spires jointives et/ou non jointives d'un fil unique.
L'enroulement d'un élément creux selon l'invention pouvant s'apparenter à celui d'un ressort, il est possible de lui donner toute géométrie, par exemple cylindrique, sphérique, tonneau, amphore, conique, oblong, carré, polygonaux et toute section par exemple ronde, carrée, rectangulaire, triangulaire, ovale...
De préférence, l'élément filtrant est en forme de cylindre ou de sphère, cette sphère pouvant être parfaite ou légèrement déformée en fonction du pas des spires de l'enroulement. Lorsque l'élément filtrant est en forme de cylindre, sa hauteur est inférieure ou égale à 5Omm, de préférence comprise entre 10 et 35mm. Lorsque l'élément filtrant est en forme de sphère, son diamètre intérieur est inférieur ou égal à 5Omm, de préférence compris entre 10 et 35 mm. Quelque soit sa géométrie, l'élément filtrant comporte deux extrémités, dont l'une au moins est fermée. De préférence, l'élément filtrant comporte une extrémité ouverte et une extrémité fermée, toutefois, les deux extrémités pourraient être fermées, les spires étant alors non jointives. L'extrémité fermée de l'élément peut être obtenue par un enroulement à spires jointives du fil de section (s) selon un enroulement plat ou selon un rétrécissement, de préférence de type conique. L'élément peut également être obstrué à l'une de ses extrémités au moins par tout autre élément coiffant, plat ou en volume, de toute géométrie et matériau adéquat.
L'élément filtrant est réalisé en tout matériau capable de résister aux conditions extrêmes de pression, de température et de corrosion des procédés industriels, tels que les matériaux métalliques (acier, acier inoxydable, bronze, bronze béryllium ...), alliages ( Monel , Inconel ...), céramique, plastique (polypropylène, PVDF, C-PVC, PFA, ETFE, ECTFE, PTFE...), composites, graphite, verre. De préférence, l'élément creux est en acier inoxydable ou acier. Quelque soit sa géométrie, l'élément filtrant peut être constitué, sur toute sa hauteur, de spires non jointives à pas constant ou variable, ou de spires jointives ou encore d'une association de spires jointives et non jointives. De préférence, l'élément filtrant comporte une extrémité ouverte suivie d'une zone d'entrée Z1 du fluide constituée de spires non jointives de pas Pl, suivie d'une zone de filtration Z2 du fluide, constituée de spires non jointives de pas P2<P1, laquelle zone se prolonge par une
extrémité fermée de l'élément. L'extrémité ouverte, la zone d'entrée et la zone de filtration peuvent se succéder directement ou bien être distantes l'une de l'autre par au moins une spire jointive. De préférence, le rapport Pl/P2 des pas des spires non jointives est tel que Pl /132?50, de préférence encore Pl /P2?15. Bien que pouvant être dimensionné à volonté, en fonction du domaine d'application, l'élément filtrant est de préférence conçu pour filtrer des particules dont la taille varie de 1 m à 2Omm. Comme explicité précédemment, les éléments filtrants peuvent 10 constituer un lit de filtration comportant au moins une couche desdits éléments. Dans une même couche, les éléments creux filtrants sont, de préférence, identiques entre eux, notamment en forme et dimensions. Lorsque le lit de filtration comporte plusieurs couches, celles-ci 15 sont, de préférence, organisées suivant un gradient de taille des éléments filtrants et plus particulièrement de l'amont du réacteur vers l'aval, suivant un gradient décroissant. Lesdits éléments creux filtrants peuvent être utilisés seuls ou en association avec d'autres éléments, notamment de formes et/ou 20 dimensions et/ou fonctions différentes. Les éléments filtrants du dispositif de l'invention peuvent notamment être associés à d'autres éléments, poreux ou non, tels que les inertes habituellement employés dans les réacteurs en vue d'améliorer la diffusion des fluides (par exemple les billes inertes). Les éléments associés 25 aux éléments filtrants peuvent également être des éléments céramiques poreux, des éléments de garnissage de type anneaux de Rashig, anneaux de Pall ou des pièces en forme de tuile, des éléments à grande fraction de vide et/ou encore des particules de catalyseur. Lorsque les éléments filtrants sont associés à des particules de 30 catalyseur celles-ci peuvent être identiques ou différentes de celles formant le lit catalytique situé en aval. De préférence, les éléments associés aux éléments filtrants sont des particules de catalyseur de prétraitement, capables de piéger les métaux contenus dans le fluide à épurer.
L'invention concerne encore l'utilisation dudit dispositif dans un réacteur comportant au moins un lit catalytique fixe, le réacteur étant alimenté par au moins un liquide chargé en particules et un gaz réactif, ledit dispositif étant situé en amont du lit catalytique, le plateau plan perforé étant parallèle à la section transversale du réacteur. Le liquide et le gaz peuvent circuler selon un écoulement cocourant descendant ou ascendant ou selon un écoulement à contre courant. Avantageusement, ledit dispositif est alors positionné en amont du 10 plateau distributeur pouvant supporter des cheminées de mélange, lui même situé en amont du lit catalytique fixe. De préférence, le dispositif selon l'invention est inséré dans un réacteur permettant de réaliser des réactions d'hydrotraitement, d'hydrogénation sélective, ou de conversion de résidus ou de coupes 15 hydrocarbonées. L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels : La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un réacteur équipé d'un dispositif selon l'invention ; 20 La figure 2 représente une vue en coupe longitudinale du réacteur de la figure 1 montrant plus en détails le dispositif selon l'invention, un plateau de distribution et la partie supérieure du lit catalytique ; La figure 3 est une vue de côté partiellement en coupe d'une cheminée du dispositif selon l'invention représentée sur les figures 1 et 2 ; 25 La figure 4 est une vue de dessus d'un mode de réalisation d'une cheminée du dispositif selon l'invention ; Les figures 5 à 8 représentent des exemples de réalisation d'éléments filtrants du dispositif selon l'invention. Chaque élément est représenté vu de côté et vu de dessus. L'élément représenté figure 5 est 30 en outre représenté en coupe transversale. Les figures 9 à 19 représentent des éléments inertes cités dans les exemples vus de dessus et en coupe longitudinale. Les dimensions de ces éléments en millimètres sont reportées sur les figures.
Le dispositif objet de la présente invention s'insère par exemple dans un réacteur (1) du type de celui représenté sur la figure 1, comportant au moins un lit catalytique fixe (12), alimenté par au moins un fluide (C) chargé en particules. Dans un mode préféré, ledit réacteur (1) est alimenté par une charge liquide et un gaz réactif circulant à cocourant descendant. En fonction de la configuration du réacteur (1), le liquide et le gaz réactif peuvent être introduits simultanément en tête de réacteur par l'intermédiaire d'un diffuseur de charge (3) ou bien séparément, le gaz pouvant alors être introduit sur le côté du réacteur à hauteur des cheminées de mélange (10). Quelque soit le mode d'alimentation, lesdits fluides (C) sont distribués en jets homogènes et multidirectionnels en direction du dispositif de filtration et de pré distribution (4) de l'invention. La figure 1 représente une coupe longitudinale d'un réacteur (1) à lit catalytique fixe alimenté par un flux de charges (C) constituées de liquide et de gaz circulant à co-courant descendant. Les fluides (C) sont introduits en tète (2) de réacteur et sont dispersés sous forme de jets homogènes et multidirectionnels par un diffuseur de charges (3) en direction d'un dispositif de filtration et de pré distribution selon l'invention (4). Ce dernier comprend un plateau plan (5) perforé d'orifices (16), le plateau servant de support à des cheminées (6) creuses autour desquelles est disposé un lit de filtration (7) constitué d'au moins une couche d'éléments filtrants (8)(figure 2).
Chaque cheminée (6) comporte une lumière latérale (22), son extrémité supérieure étant pourvue d'un élément coiffant (15), tel que décrit ci-après en détails, en référence aux figures 2 et 3. Le gaz réactif pénètre dans chaque cheminée (6) par l'extrémité recouverte d'un élément coiffant (15) tandis que le liquide traverse le lit de filtration (7). Tout au long du cheminement du liquide, les particules (17) contenues dans celui-ci sont piégées par les éléments filtrants (8), à l'intérieur des éléments filtrants ainsi que dans les espaces libres inter-éléments. Le liquide filtré pénètre ensuite dans chaque cheminée (6) par l'intermédiaire des lumières latérales (22). Gaz et liquide épuré s'évacuent
de la cheminée (6) par son extrémité ouverte sur un orifice (16) du plateau plan perforé de prédistribution (5). Les fluides (C) épurés sortant du dispositif selon l'invention sont ainsi dispersés en direction d'un plateau de distribution (9) servant de support à des cheminées de mélange (10). Dans l'exemple représenté sur les figures 1 et 2, ces cheminées de mélange (10) sont positionnées en quinconce par rapport aux orifices (16) du plateau plan perforé amont (5). A ce niveau, le gaz pénètre dans la cheminée de mélange (10) par son extrémité supérieure semi-ouverte (24) tandis que le liquide filtré s'accumule sur le plateau (9) pour pénétrer ensuite dans la cheminée (10) par les lumières latérales (23) situées en partie basse. Gaz et liquide filtré sont mélangés dans les cheminées (10) puis débouchent, par l'intermédiaire d'orifices (18), sur un lit de billes inertes (11) situé en aval avant d'atteindre le lit catalytique (12) (figure 2).
Ce lit de billes inertes (11) a pour fonction de diviser le flux de charges (C) et de le redistribuer en direction du lit catalytique (12). En sortie du lit catalytique (12), les fluides (C) traversent un nouveau lit de billes inertes (11) (habituellement organisé selon un gradient de granulométrie croissant) puis une crépine ou collecteur de sortie (13) avant d'être évacués du réacteur par une sortie (14). A titre d'exemple non limitatif, la réaction réalisée au sein d'un tel réacteur (1) peut être une réaction d'hydrodésulfuration. Les fluides (C) d'alimentation (2) sont alors composés de gaz hydrogène H2 et d'hydrocarbures liquides. En sortie de réacteur (14), les fluides sont constitués d'une charge liquide désulfurée, de gaz H2 et H2S. Un mode de réalisation du dispositif selon l'invention est maintenant décrit plus en détails en référence aux figures 2 à 4. La figure 2 représente un dispositif de filtration et de prédistribution (4) selon l'invention comportant : - un plateau plan de base (5) sensiblement horizontal perforé d'orifices (16), pouvant également être appelé plateau de prédistribution, chaque orifice du plateau étant surplombé par une cheminée (6), et - un lit de filtration (7) constitué d'éléments filtrants (8) entourant les cheminées creuses (6) supportées par le plateau plan (5).
Le plateau plan perforé (5) sert également de support au lit de filtration (7) entourant chacune des cheminées (6). Ledit plateau plan perforé (5) repose sur des poutres support du réacteur (non représentées) et épouse, par sa forme et ses dimensions, la 5 section transversale interne du réacteur (1). A chaque orifice (16) du plateau de pré distribution (5) correspond une cheminée (6) sensiblement verticale, orientée vers le sommet du réacteur et assemblée à l'orifice (16) par l'intermédiaire d'un manchon (20) 10 Les dimensions externes des sections des manchons (20) sont choisies de façon à correspondre aux orifices (16) du plateau :perforé de pré distribution (5). De préférence, ces orifices (16) traversent le plateau perforé de pré distribution (5) sur toute son épaisseur et sont identiques les uns aux 15 autres en forme et en dimensions. Chacune des cheminées (6) comporte une extrémité supérieure pouvant être recouverte d'un élément coiffant (15) quelconque et comporte à sa périphérie au moins une lumière (22) traversant sa paroi latérale destinée à laisser passer les fluides (C). Dans l'exemple représenté, 20 chaque lumière s'étend suivant une trajectoire sensiblement en forme d'hélice le long de la paroi latérale de la cheminée, sur toute la hauteur de la cheminée. L'élément coiffant (15) doit, par sa forme et ses dimensions, autoriser le passage du gaz réactif tout en empêchant le liquide de 25 pénétrer dans la cheminée (6) par son extrémité supérieure. De la même façon, par la présence de l'élément coiffant (15), les éléments filtrants (8) constituant le lit de filtration (7) ne doivent pas pouvoir pénétrer à l'intérieur de la cheminée (6) lors de leur chargement dans le réacteur. Ainsi, l'élément coiffant (15) peut, par exemple, être en forme de 30 coupelle renversée et être fixé par tout moyen adéquat (emboîtement, clipsage, soudage, ...) sur un manchon (20), avantageusement identique à celui positionné à l'extrémité inférieure de la cheminée (6).
L'ouverture de la cheminée à son extrémité inférieure sur un orifice (16) du plateau de pré distribution (5) a pour rôle de laisser les fluides s'évacuer en direction du plateau distributeur (9). Chacune des cheminées (6) du dispositif représenté sur les figures est d'une part recouverte à son extrémité supérieure d'un élément coiffant (15) assemblé sur un manchon (20) lui-même monté sur l'extrémité supérieure de la cheminée, et d'autre part associée à son extrémité inférieure à un orifice (16) du plateau plan perforé (5) par l'intermédiaire d'un second manchon (20).
Les cheminées (6) du plateau plan perforé (5) comme les manchons (20) et les orifices (16) peuvent être de toutes formes, préférentiellement cylindriques. De préférence, tel que représenté dans l'exemple, un seul type de manchon (20) est utilisé pour monter la cheminée sur l'orifice (16) et 15 l'élément coiffant (15) sur la même cheminée. Dans l'exemple, la cheminée présente une forme cylindrique et le manchon est formé d'un cylindre de diamètre extérieur sensiblement égal au diamètre intérieur de la cheminée. Le manchon (20) peut ainsi être inséré dans chaque extrémité de la 20 cheminée, les extrémités de la cheminée et le manchon étant conformés de manière à permettre un assemblage manuel et réversible du manchon sur ces extrémités. Cette configuration très spécifique des extrémités des cheminées confère au dispositif (4) un réel avantage en rendant les cheminées 25 amovibles de manière simple et économique. En n'étant pas soudées au plateau perforé de prédistribution (5) mais simplement emboîtées sur celui-ci par l'intermédiaire des manchons, les cheminées (6) peuvent donc facilement être retirées et échangées. Grâce au caractère amovible des cheminées, en fonction du liquide 30 à traiter, il est possible d'adapter, au plateau perforé de prédistribution (5), des cheminées (6) dont la géométrie est fonction de la nature des éléments filtrants et autres éléments associés que l'on souhaite charger sur le plateau perforé de prédistribution (5) autour des cheminées (6). Lorsque la cheminée est obtenue par enroulement en spires d'un fil (F'), le
pas de la spire, ainsi que les autres paramètres de la cheminée seront choisis de manière adéquate. La figure 3 représente un exemple de réalisation d'une cheminée (6) du dispositif selon l'invention.
Dans l'exemple représenté sur la figure 3, la cheminée (6) est obtenue par enroulement d'un fil (F') de section (s') en spires non jointives de pas constant sur toute sa hauteur. Une lumière latérale (22) continue est ainsi formée par l'espacement entre les spires du fil formant la cheminée.
La cheminée (6) est en forme de cylindre dont les extrémités ouvertes se terminent chacune par un retour radial (21), ou ergot, de longueur (L) comprise entre 1/3 et 2/3 du diamètre (Di') du cylindre, tel que représenté sur la figure 4. Chaque extrémité de la cheminée peut alors être associée manuellement et réversiblement par emboîtement (clipsage) à un manchon cylindrique (20) muni d'une encoche (25) dont la géométrie autorise un assemblage de type mâle/femelle avec le retour radial (21). Dans l'exemple représenté sur les figures, cette encoche (25) s'étend dans un plan vertical suivant un diamètre du manchon et est apte à recevoir le retour radial (21) de chaque extrémité de la cheminée. Un tel manchon (20) peut alors être utilisé d'une part pour fixer l'une des extrémités de la cheminée sur le plateau plan perforé (5), le manchon étant lui-même inséré dans un orifice circulaire (16) du plateau plan (5), et d'autre part pour obstruer l'autre extrémité de la cheminée, le second manchon comportant alors un élément coiffant (15). Le premier manchon est par exemple solidarisé au plateau plan perforé par tout moyen adéquat, par exemple par soudage, vissage, collage, clipsage ou analogues. De même, l'élément coiffant (15) est fixé au deuxième manchon par soudage, collage, vissage, clipsage ou analogues.
Les paramètres définissant cette cheminée (6) sont les suivants : ^ Forme et hauteur totale (H) de la cheminée Diamètre intérieur (Di') ^ Configuration de la lumière en spirale (22) et répartition des pas des spires du fil (F')
^ Matériau du fil (F') ^ Section (s') du fil (F') ^ Dimension de la section (s') du fil (F') ^ Longueur (L) du retour radial ou ergot (21) Par son action de filtration et de prédistribution en amont du lit catalytique, le dispositif (4) de l'invention présente de nombreux avantages: - L'insertion des cheminées (6) et des éléments filtrants (8) sur le plateau plan perforé (5) est simple et peu coûteuse, notamment dans le cas où les cheminées (6) sont amovibles, en particulier lorsqu'elles sont assemblées manuellement au moyen des manchons (20) sans opération de soudage, et les éléments filtrants (8) peuvent être disposés en vrac par un opérateur. Il est à noter que le plateau perforé (5) non équipé de ses cheminées (6) peut faire office de plateau répartiteur à trous classique ; - La position très en amont du dispositif (4) dans le réacteur permet de maintenir l'intégrité du volume du lit catalytique (12) et d'assurer ainsi la réactivité maximale du catalyseur ; La filtration du fluide permet de réduire l'encrassement des cheminées de mélange (10) situées sur le plateau distributeur (9), de limiter l'augmentation de la perte de charge et de garantir une meilleure intégrité mécanique des inertes (11) ; La filtration du fluide liquide évite l'encrassement de la première couche du lit catalytique (12). De ce fait l'écroutage du lit et les coûteuses opérations de démontage du plateau de distribution (9) ne sont plus nécessaires. La durée du cycle de fonctionnement des réacteurs (1), sensibles à l'encrassement des couches supérieures des lits catalytiques (12), est augmentée ; Les opérations d'écroutage et de changement de tout ou partie du catalyseur sont limitées réduisant ainsi les coûts d'interventions. Des charges (C) moins nobles peuvent être traitées.
Les éléments filtrants (8) formant le lit de filtration (7) du dispositif sont maintenant décrits plus en détails en référence aux figures 5 à 8. Ces éléments filtrants (8), qui sont disposés sur le plateau plan perforé de prédistribution (5) autour des cheminées (6), sont des éléments creux agencés à la manière d'un ressort à spires jointives et non jointives et dont une extrémité est fermée. Sur les figures 5 à 8, la vue de côté permet de voir chaque élément dans son ensemble et plus particulièrement la géométrie cylindrique ou sphérique. La vue de dessus donne accès aux extrémités ouvertes et fermées des éléments ainsi qu'aux variantes non limitatives. Les éléments filtrants représentés sur ces figures sont obtenus par l'enroulement en spires d'un fil unique F de section (s). Chaque élément présente deux extrémités F1, F2 situées à l'opposé l'une de l'autre suivant l'axe d'enroulement des spires.
La figure 5 représente un élément A : cet élément est cylindrique, à spires non jointives de pas PA et comporte une extrémité ouverte F1 et une extrémité fermée F2 obtenue par rétrécissement conique de type spires jointives de la géométrie principale. La figure 6 représente un élément B : cet élément est sphérique, à spires jointives de pas PB et comporte deux extrémités fermées F'1 et F2. La figure 7a représente un élément C : cet élément est sphérique, à spires jointives de pas PC et comporte une extrémité ouverte F 1 et une extrémité fermée F2. La figure 7b représente un élément C' : cet élément est également sphérique, mais à spires non jointives de pas PC', de fait la géométrie de l'élément n'est plus une sphère parfaite mais une sphère allongée dans la direction de l'axe d'enroulement des spires. Il comporte aussi une extrémité ouverte F 1 et une extrémité fermée F2. La figure 8 représente un élément D : cet élément est cylindrique, à spires non jointives de pas PD1 sur la zone Z1 d'entrée du fluide et PD2 sur la zone Z2 de filtration du fluide. L'élément comporte une extrémité ouverte F 1 liée à z 1 et une extrémité fermée F2 liée à Z2 et obtenue par rétrécissement conique à spires jointives de la géométrie principale. Dans les variantes représentées sur les figures 8a et 8b, l'extrémité ouverte F1
contient un retour Ra du fil de section (s) en cercle concentrique (figure 8a) ou bien effectue un retour Rb radial (figure 8b) dont la longueur est, de préférence, comprise entre 1/3 et 2/3 du diamètre du cylindre. La version D correspond à la version optimale retenue pour effectuer les essais de filtration dont les résultats sont présentés dans les exemples. Il est à noter que ces éléments filtrants peuvent différer les uns des autres (d'une version à l'autre ou dans une même catégorie) pair variation d'un ou plusieurs paramètres : Hauteur totale de l'élément Surface occupée (Sfii) par le fil et Surface libre (Slibre) de l'élément, dans le rapport Slibre/ Sal précédemment défini ; Configuration ouverte ou fermée des extrémités et géométries associées ; Diamètre intérieur Di de l'élément ; Configurations jointives ou non jointives des spires (pas) et leurs répartitions sur toute la hauteur de l'élément ; Matériau du fil et géométrie, dimensions de sa section (s); Densité de l'élément. Comme décrit précédemment, les éléments filtrants (8) peuvent, en fonction du fluide à traiter, différer les uns des autres par variation d'un ou plusieurs paramètres. Le tableau 1 regroupe les paramètres préférés des géométries cylindriques et sphériques des éléments filtrants constituant le lit de filtration (7). Les essais de chargement en vrac des éléments filtrants par le sommet du réacteur sur le plan perforé (5) montrent que la géométrie cylindrique est la mieux adaptée pour obtenir un lit de filtration efficace. En effet, quelque soit leur positionnement après chargement, les éléments filtrants cylindriques (8) présentent toujours des ouvertures, favorisant ainsi la bonne circulation du fluide et donc sa filtration. Une fois colmatés par les particules accumulées, les éléments filtrants (8) continuent à être actifs en assurant la dispersion homogène du fluide épuré, rôle habituellement assuré par les billes inertes (11). Enfin, lorsque les interstices entre les éléments filtrants sont eux-mêmes colmatés, il est facile d'enlever, nettoyer ou remplacer les éléments dont le coût de fabrication est faible.
Les éléments filtrants (8) selon l'invention présentés dans le tableau 1 présentent chacun une extrémité fermée et une extrémité ouverte.
TABLEAU 1 Géométrie de Cylindre Sphère l'élément Dimensions de Hauteur (H) à 50mm, de Diamètre intérieur l'élément préférence comprise entre maximal (Di) de la sphère 10 et 35mm avec un à 50mm, de préférence diamètre intérieur compris compris entre 10 et entre 10 et 20mm. 35mm. Extrémité ouverte - Ouverture simple égale Ouverte circulaire de au diamètre du cylindre diamètre <_ à Di/2 ou - Ouverture se terminant par un retour du fil en un cercle concentrique de 5 à 10mm de diamètre intérieur ou - Ouverture se terminant par un retour radial du fil dont la longueur est comprise entre 1/3 et 2/3 du diamètre du cylindre. Configuration et - Non jointives à pas à Spires non jointives à pas répartition des lmm sur toute la hauteur, à lmm, de préférence spires de préférence à 0,5mm, compris entre 0,2 et de préférence encore < à 0,8mm. 0,2mm ou - Association de spires non jointives à pas 5 à lmm, de spires non jointives à pas 5mm et de 2 à 5 spires jointives Extrémité fermée Enroulement conique en Extrémité fermée de la (géométrie, spires jointives de 2mm à sphère hauteur) 5 mm de hauteur. Rapport Slibre/Stil 20% à 25% 15% à 25% Fil (F) constitutif Fil de section circulaire (s) Fil de section circulaire (s) de l'élément de 0,5 à 1 mm de diamètre de 0,5 à 1 mm de diamètre (section, matériau, en acier ou acier en acier ou acier diamètre) inoxydable de préférence inoxydable de préférence Inox 321 ou 304 Inox 321 ou 304 Poids de l'élément 0,5 à 1 g 2 à 2,5 g (grammes) Densité de 1,45 à 1,65 1,400 l'élément
Les figures 9 à 19 présentent les différentes géométries des inertes testés dans l'exemple en comparaison avec l'élément filtrant de géométrie optimale selon la version D. Ces inertes sont sphériques ou cylindriques, pleins ou traversés par des canaux à section circulaire, ovale ou triangulaire, avec ou sans aspérités en surface. EXEMPLES Les exemples présentés ci-après ont pour objectif d'illustrer les avantages de l'invention. La demanderesse s'est attachée à évaluer et comparer l'efficacité d'un lit de filtration faisant partie du dispositif de filtration selon l'invention. L'état de la technique montre que, dans les réacteurs, les éléments employés pour améliorer la diffusion de fluides afin d'éviter la création de circuits préférentiels, sources de points chauds et de cokage dans le lit catalytique peuvent être qualifiés de filtrants . Les billes inertes pleines constituées de silice et d'alumine et placées au dessus du lit catalytique peuvent servir d'illustration. Au cours de la circulation du fluide liquide il apparaît que les particules solides contenues dans celui-ci peuvent s'accumuler dans les zones interstitielles libres situées entre les billes.
Comme le montreront les essais, cette rétention des particules sur les inertes ne peut être qualifiée de filtration au sens de l'invention, dans la mesure où elle résulte de l'agencement des billes dans le réacteur et non de leurs géométries propres. Il en est de même pour des éléments similaires pleins ou creux, à base de céramique, carbonate de calcium, quartz ou encore verre. Ces éléments peuvent se présenter sous diverses géométries telles que, par exemple, des cylindres pleins, roues à quatre ou sept rayons, cylindres étoilés, sphères à 1 ou 5 canaux traversants, prismes... Leurs dimensions peuvent s'échelonner de quelques millimètres à près de 100 mm. De la même façon que pour les billes inertes, les impuretés contenues dans la charge peuvent s'accumuler dans les interstices libres ou être retenues par les aspérités de surface des éléments. Ces éléments peuvent également être utilisés dans des applications autres que les réacteurs catalytiques à lit fixe, comme par exemple dans les installations de filtration à haute température visant la
séparation des particules solides et/ou liquides des gaz chauds. Même s'ils sont parfois qualifiés de filtrants , ces différents éléments ne le sont pas au sens de l'invention car leurs capacités de rétention dépendent de l'agencement des éléments entre eux et non de leurs géométries propres.
La rétention des particules par ces éléments reste donc faible et incertaine. Les essais présentés ici s'attachent à montrer cette caractéristique en mesurant la capacité de filtration de différents lits de filtration. Les essais ont été réalisés sur 13 références d'éléments comparatifs habituellement utilisés pour la filtration (cf. figures 9 à 19) en comparaison avec un élément D du lit de filtration du dispositif selon l'invention formé d'un enroulement hélicoïdal cylindrique creux fermé à une extrémité et ouvert à l'autre (cf. figure 8 - version D à ouverture simple). A l'exception de la référence N°4, aucune autre référence n'a d'activité catalytique. Les références 1 et 2 sont des sphères pleines présentant un diamètre de 12,7 mm (1/2") et 3,175 mm (1/8") respectivement. Les références 3 à 13 correspondent aux éléments représentés sur les figures 9 à 19 respectivement.
L'élément filtrant du lit de filtration du dispositif selon l'invention (élément D) utilisé dans ces essais est défini par les paramètres suivants : Hauteur totale de l'élément : 23 mm 22% Slibre/Sfil <_ 23 % P1/P2<_ 5 Diamètre intérieur Di de l'élément : 10 mm Configuration de l'élément: Cylindre de 20 mrn de hauteur constitué d'une extrémité ouverte suivie de 3 spires jointives, elles mêmes suivies d'une zone Z1 constituée de 2 spires non jointives à pas PD1 constant de 3 mm, ladite zone Z1 étant suivie d'une zone Z2 constituée de spires non jointives à pas PD2 constant de 1 mm sur une hauteur de 8 mm, ladite zone Z2 étant suivie par une extrémité fermée conique à spires jointives sur une hauteur de 3 mm. Fil en Inox 321 de section circulaire de 0,8 mm de diamètre.
Les essais ont consisté à évaluer le pouvoir de rétention d'un lit de filtration constitué d'une certaine référence d'éléments filtrants. Les éléments d'une même référence ont ainsi été chargés en vrac afin de constituer un lit de filtration sur colonne de 6Ocm de hauteur et de 1Ocm de diamètre. Dans la première série d'essais, chacun des lits constitué par l'une des 14 références a été pesé à vide puis soumis, pendant 2 heures, à un débit de liquide (12OL/h d'eau) chargé en particules colmatantes (2kg de particules solides de granulométrie variant de 10 gm à 400 gin) et à un débit de gaz (2,5 m3/h d'air). A la fin de chaque essai, les éléments chargés en particules constituant les lits de filtration ont été séchés à l'étuve à 120°C pendant 24 heures puis pesés. Le tableau 2 regroupe les résultats de cette première série et révèle la capacité de filtration globale d'un lit de filtration constitué d'une même catégorie d'éléments.
Ces essais mettent en évidence la très faible capacité de filtration de la majorité des éléments testés : 86% des lits de filtration retiennent moins de 3 % de particules. Les deux lits de filtration les plus performants retiennent respectivement un peu plus de 7% de particules pour le lit de filtration constitué des éléments portant la référence N°12 et un peu plus de 5% pour le lit de filtration constitué des éléments portant la référence N°14 (élément D filtrant selon l'invention). L'observation à l'oeil nu des éléments D du lit de filtration du dispositif selon l'invention montre que les particules s'accumulent à l'intérieur des éléments jusqu'à saturation de ceux-ci.
Dans la seconde série d'essais, les deux lits de filtration constitués des éléments de filtration les plus performants (références N°12 et N°14) révélées par la série 1 d'essais ont été soumis, en continu, à 3 passages successifs, de 2 heures chacun, du liquide chargé en particules colmatantes sous débit de gaz (soit 3 fois 12OL/h d'eau chargée par 2kg de particules solides de granulométrie variant de 10 à 400 grn sous un débit d'air de 2,5 m3/h). Entre chaque passage, les éléments testés n'étaient ni nettoyés ni remplacés. Les pesées des éléments chargés en particules constituant les lits de filtration ont été effectuées après séchage en étuve (120°C pendant 24 heures). Ces essais cumulés montrent que
les éléments creux formés d'un enroulement hélicoïdal selon l'invention ont une capacité de filtration presque double par rapport à celle des éléments N°12. Ces éléments exercent donc une filtration active résultant de leur géométrie propre, contrairement aux éléments N°12 qui saturent plus rapidement. Les résultats de ces essais cumulés (tableau 2) montrent que, grâce à leur géométrie adaptée, les éléments du lit de filtration du dispositif selon l'invention filtrent activement le liquide chargé en particules, ces dernières s'accumulant à l'intérieur des éléments jusqu'à les remplir entièrement. Les éléments N°12 n'exercent qu'une rétention passive des particules qui s'accumulent dans les interstices laissés libres entre chaque élément. Les aspérités à la surface des éléments N°12 permettent de capter des particules, mais sont rapidement saturées et ne permettent pas le captage d'un volume important de particules. Contrairement aux éléments creux formés d'un enroulement hélicoïdal, les autres éléments manquent d'efficacité, ils ne peuvent donc pas être qualifiés de filtrants au sens de l'invention.
TABLEAU 2 - Série 1 - - Série 2 - (2h) Essais cumulés (3 x 2h) sans nettoyage de la colonne. _ Géométrie Dimensions Masse % Masse % Référence N° (mm) moyenne retenu par la moyenne retenu (Figure totale colonne sur totale par la associée) retenue par la quantité retenue par colonne _ la colonne (en poids) de la colonne (grammes) particules (grammes) introduites 1 Sphère (billes) 12,7 6 0,3 (1/2") 2 Sphère 3,175 37 1,9 (billes) (1/8") 3 Roue à 7 16x9 44 2,21 (Fig.9) rayons 4 Cylindre étoilé 15x16 14 0,70 (Fig.10) Cylindre creux 9x 10 41 2,1 (Fig.11) 6 Cylindre creux 6x6 30 1,8 (Fig. 12) 7 Roue percée 7 16x11 40 2,0 (Fig.13) trous 8 Sphère 20 8 0,4 (Fig.14) macroporeuse 1 trou 9 Sphère 20 8 0,4 (Fig.15) macroporeuse 5 trous Roue 4 rayons 15x11 48 2 (Fig.16) percée (5 trous) 11 "Pentaring" 11x12 48 2,4 (Fig.17) 12 Cylindre creux 7x7 145 7,2 98 4,9 (Fig.18) granuleux (Dcreux=2) 13 "Pentaring" 20x9 35 1,7 (Fig.19) 14 Elément D Diam.Int 10 105 5,25 160 8,1 (Fig.8) cylindrique à Longueur enroulement 10 hélicoïdal
Claims (21)
- REVENDICATIONS1. Dispositif pour la filtration et la prédistribution (4) d'au moins un fluide chargé en particules, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend : - un plateau (5) plan perforé d'orifices (16), chaque orifice du plateau étant surplombé par une cheminée (6) creuse verticale comportant au moins une lumière traversant sa paroi latérale, un lit de filtration (7) disposé sur le plateau perforé et entourant lesdites cheminées, le lit de filtration comportant au moins une couche d'éléments filtrants (8) creux dont les dimensions sont supérieures aux dimensions des lumières des cheminées, ledit élément filtrant étant obtenu par un enroulement en spires jointives et/ou non jointives d'un fil de section (s) de façon à comporter au moins une extrémité fermée et présentant un rapport surface libre (Shbre) de l'élément sur surface occupée (Sm) par le fil compris entre 2 et 50%.
- 2. Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque cheminée du plateau perforé (5) est amovible.
- 3. Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite au moins une lumière (22) de chaque cheminée s'étend suivant une trajectoire sensiblement en forme d'hélice le long de la paroi latérale de la cheminée.
- 4. Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la densité de répartition des orifices (16) sur le plateau plan perforé (5) est comprise entre 5 et 150 orifices par m2 de surface du plateau, de préférence entre 30 et 100 orifices par m2 de surface de plateau.
- 5. Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque cheminée (6) est obtenue par enroulement d'un fil de section (s') en spires non jointives de pas constant sur toute sa hauteur.
- 6. Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque cheminée (6) est en forme de cylindre et présente des extrémités ouvertes dont l'une au moins se termine par un retour radial du fil de section (s') de longueur comprise entre 1/3 et 2/3 du diamètre de la cheminée.
- 7. Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la hauteur de chaque cheminée (6) est comprise 100 et 1500 mm, de préférence entre 150 et 600 mm.
- 8 . Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que au moins une extrémité de la cheminée est conformée de manière à pouvoir être emboîtée manuellement et réversiblement sur un manchon (20) cylindrique.
- 9. Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une extrémité de la cheminée est pourvue d'un manchon inséré dans un orifice (16) du plateau perforé (5) et l'autre extrémité de la cheminée (6) est pourvue d'un manchon (20) recouvert d'un élément coiffant (15).
- 10. Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que chaque cheminée (6) dépasse le niveau du lit de filtration (7) d'une hauteur comprise entre 20 et 70 mm, de préférence entre 30 et 60 mm.
- 11. Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le rapport Slibre/Sfll est compris entre 5 et 30%, de préférence entre 15 et 25%.
- 12. Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'élément filtrant (8) est en forme de cylindre ou en forme de sphère.
- 13. Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'élément filtrant (8) comporte une extrémité ouverte suivie d'une zone d'entrée Z1 du fluide constituée de spires non jointives de pas P1 suivie d'une zone de filtration Z2 constituée de spires non jointives de pas P2<P1 et qui se prolonge par une extrémité fermée.
- 14. Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'élément filtrant (8) est constitué d'un matériau métallique, de préférence de l'acier ou de l'acier inoxydable.
- 15. Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les éléments filtrants (8) d'une même couche du lit de filtration (7) sont identiques entre eux.
- 16. Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le lit de filtration (7) est constitué de plusieurs couches organisées selon un gradient de taille des éléments filtrants.
- 17. Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que les éléments filtrants (8) d'une même couche du lit de filtration (7) sont utilisés seuls ou en association avec d'autres éléments.
- 18. Dispositif pour la filtration et la prédistribution selon la revendication 17, caractérisé en ce que les éléments associés sont des particules de catalyseur et/ou des billes inertes.
- 19. Utilisation du dispositif (4) pour la filtration et la prédistribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 18 dans un réacteur (1) comportant au moins un lit catalytique fixe (12), le réacteur étant alimenté par au moins un liquide chargé en particules et un gaz réactif, ledit dispositif (4) étant situé en amont du lit catalytique (12), le plateau (5) plan étant parallèle à la section transversale du réacteur (1).
- 20 . Utilisation du dispositif (4) pour la filtration et la prédistribution selon la revendication 19, caractérisée en ce que le dispositif est situé en amont d'un plateau distributeur (9) lui même situé en amont du lit catalytique fixe (12).
- 21. Utilisation du dispositif (4) pour la filtration et la prédistribution selon l'une quelconque des revendications 1 à 18 pour des réactions d'hydrotraitement, d'hydrogénation sélective, ou de conversion de résidus ou de coupes hydrocarbonées.
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