FR2980719A1 - Plateau distributeur pour la distribution d'un melange polyphasique avec cheminees tronquees en peripherie. - Google Patents

Plateau distributeur pour la distribution d'un melange polyphasique avec cheminees tronquees en peripherie. Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un plateau permettant la distribution d'un mélange polyphasique dans un réacteur fonctionnant en régime ruisselant constitué d'au moins une phase gazeuse et au moins une phase liquide, le plateau (10) étant situé au-dessus d'un lit de particules catalytiques, comportant une pluralité de cheminées (3), caractérisé en ce que une partie des cheminées du plateau, situées en proche paroi de l'enceinte du réacteur, dites cheminées périphériques, sont tronquées. L'invention concerne également l'utilisation du plateau dans un réacteur en vue d'effectuer des réactions d'hydrotraitement, d'hydrogénation ou d'oxydation.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine de la distribution de fluides polyphasiques dans les réacteurs catalytiques. Elle concerne plus particulièrement un plateau distributeur permettant d'assurer la distribution de fluides dans les réacteurs catalytiques de type lits fixe, les fluides s'écoulant à co-courant descendant plus particulièrement en régime dit "ruisselant". La présente invention s'applique en particulier au domaine des distributeurs gaz/liquide employés pour la mise en oeuvre des réactions d'hydrocraquage, d'hydrotraitement, d'hydrodésulfuration, d'hydrodémétallation, d' hyd rodéazotation , d'hydrogénations sélectives ou totales. La présente invention s'applique également au domaine des hydrogénations sélectives des essences de vapocraquage, aux hydrogénations des composés aromatiques dans des coupes aliphatiques et/ou naphténiques, et aux hydrogénations des oléfines dans des coupes aromatiques. Plus généralement la présente invention s'applique dans tous les réacteurs à lits fixes nécessitant le mélange d'une phase gazeuse et d'une phase liquide, par exemple dans le cas des réacteurs pour la mise en oeuvre de réaction d'oxydation partielle ou totale, des réactions d'amination, d'acétyloxydation, d'ammoxydation et d'halogénation, en particulier de chloration. Le plateau distributeur selon la présente invention est donc en général disposé dans une enceinte ou réacteur comportant une entrée d'un fluide liquide et une entrée d'un fluide gazeux, et contenant au moins un lit de solides granulaires placé en aval du plateau distributeur. Dans le cadre de la présente invention, le plateau distributeur est disposé en tête du réacteur au dessus du lit de solide catalytique.
EXAMEN DE L'ART ANTERIEUR Pour améliorer la distribution des fluides gaz et liquide avec ces dispositifs, une possibilité utilisée dans l'art antérieur consiste à utiliser des plateaux distributeurs comportant une pluralité de canaux mélangeurs, également appelés cheminées, dédiés au passage du gaz et du liquide. Ces canaux mélangeurs peuvent être de différents types et positionnés suivant différentes configurations sur le plateau.
De tels dispositifs sont décrits dans les demandes de brevets FR 2 807 676, FR 2 745 202, FR 2 853 260 ou US 2007/0241467. De manière générale ces canaux mélangeurs sont disposés perpendiculairement au plateau distributeur, c'est à dire sensiblement verticalement.
Ces dispositifs limitent la hauteur du lit catalytique en raison de la hauteur des canaux mélangeurs et du fait que la plupart des réacteurs ont leur sommet généralement sous forme d'une calotte hémisphérique. La limitation de la hauteur du lit catalytique réduit l'activité catalytique du réacteur et par voie de conséquence la conversion.
La hauteur à partir de laquelle cette calotte hémisphérique commence est appelée ligne tangente ("tangent line" selon la terminologie anglo-saxonne). L'installation du plateau se fait par l'intermédiaire de panneaux d'une certaine taille, taille nécessairement inférieure au diamètre de la tubulure d'entrée dans le réacteur. Le plateau est donc généralement monté dans le réacteur, à partir de panneaux introduits individuellement et fixés par la suite entre eux. Ces panneaux doivent pouvoir être installés dans le réacteur. La hauteur des cheminées entraine qu'ils ne peuvent être mis à une hauteur dépassant significativement la ligne de tangence, pour des raisons d'encombrement et de difficulté d'installation, car la courbure hémisphérique du haut du réacteur empêche leur mise en place au niveau de la calotte hémisphérique. De fait, le plateau est généralement situé sous cette ligne de tangence. A iso-taille d'enceinte de réacteur, l'installation du plateau distributeur à un niveau plus bas fait qu'on ne peut donc pas toujours disposer du volume catalytique à la valeur souhaitée. Ou d'un autre point de vue, à volume de catalyseur donné, il est alors nécessaire d'utiliser une enceinte de réacteur de taille plus grande. La présente invention a pour objet de pallier à cet inconvénient de l'art antérieur en proposant un plateau de distribution, qui permet son installation plus haut à l'intérieur du réacteur, c'est à dire plus précisément à une distance moindre du sommet hémisphérique du réacteur et éventuellement à un niveau situé à l'intérieur de la calotte hémisphérique. Par voie de conséquence, le plateau distributeur selon la présente invention permet d'augmenter la hauteur du lit catalytique et donc la conversion chimique. DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTION La présente invention décrit un plateau permettant la distribution d'un mélange polyphasique dans un réacteur fonctionnant en régime ruisselant, c'est à dire à co- courant descendant des phases gaz et liquide, le liquide constituant la phase dispersée ayant une vitesse superficielle inférieure à 1,5 cm/s, et la phase gaz constituant la phase continue. Pratiquement le réacteur possède des parois verticales (1) et se termine par une calotte hémisphérique (2). Le plateau selon la présente invention est défini de manière à permettre son implantation plus haut dans le réacteur, éventuellement jusqu' à occuper une partie de l'espace défini par la calotte hémisphérique (2). Le plateau distributeur selon la présente invention est situé au-dessus d'un lit de particules solides (30) constituant le catalyseur, et comporte une pluralité de cheminées (3) caractérisé en ce qu'une partie de ces cheminées situées en périphérie, dites cheminées périphériques, ont une hauteur Hp strictement inférieure à la hauteur des cheminées situées vers le centre, dites cheminées centrales. On dit que ces cheminées périphériques sont tronquées. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les cheminées tronquées sont celles formant la rangée périphérique la plus en proximité de la paroi (1 ou 2) de l'enceinte du réacteur et situées à une distance de la paroi (1 ou 2) de l'enceinte du réacteur comprise entre 25 et 250 mm. La notion de cheminées périphériques s'étend également à la seconde rangée de cheminées située à une distance de la paroi (1) du réacteur comprise entre 250 mm et 450 mm. Globalement donc la distance (D1) à la paroi sur laquelle s'étendent les cheminées périphériques est comprise entre 25 et 450 mm, et préférentiellement comprise entre 25 et 250 mm. Toutes les cheminées du plateau, centrales ou périphériques, sont en effet séparées d'un pas P compris entre 100 et 250 mm, et préférentiellement compris entre 100 et 200 mm.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les cheminées non périphériques, dite cheminées centrales, ont une hauteur (Hc) comprise entre 100 et 500 mm, et les cheminées périphériques ont une hauteur (Hp) diminuée de 25 à 350 mm par rapport aux cheminées centrales. Préférentiellement, la hauteur (Hc) des cheminées centrales est comprise entre 200mm et 350 mm. Plus précisément, les cheminées périphériques sont tronquées à une distance comprise entre 1 et 100 mm, préférentiellement entre 1 mm et 50 mm, et de manière encore préférée comprise entre 1 et 30 mm au dessus du dernier orifice de passage (4) prévue pour le liquide. L'expression "dernier orifice" est à comprendre comme désignant l'orifice (4) placé dans la position la plus haute selon l'axe vertical des cheminées (3). En effet, les cheminées centrales ou périphériques possèdent des orifices (4) répartis sur la hauteur desdites cheminées pour permettre le passage du liquide à l'intérieur des cheminées. Les cheminées centrales possèdent en outre une ouverture (5) à leur extrémité supérieure pour le passage du gaz. Les cheminées périphériques ne possèdent pas une telle ouverture pour le passage du gaz. Il a en effet été découvert de manière surprenante que l'écoulement dit ruisselant recherché dans les procédés où le présent plateau trouve ses applications, n'était pratiquement pas modifié par la suppression de l'entrée gaz située à l'extrémité supérieure des cheminées périphériques. Selon un mode de réalisation de l'invention, les orifices de passage pour le liquide (4) sont des orifices de forme circulaire ou des fentes sensiblement verticales. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le plateau (10) est muni d'un système de dispersion (20) placé sous ledit plateau (10) à une distance de celui ci comprise entre 10 mm et 100 mm. Ce système de dispersion est généralement constitué d'une grille ou d'un déflecteur. L'invention concerne également un procédé faisant appel au plateau tel que décrit précédemment destiné à effectuer des réactions d'hydrotraitement ou d'hydrogénation ou d'oxydation.
L'invention concerne également tout procédé d'hydrotraitement ou d'hydrogénation de coupes pétrolières ayant de C4 à C20 atomes de carbone faisant appel à un écoulement diphasique à co-courant descendant des phases gaz et liquide, dans lequel la phase gaz est la phase continue et la phase liquide est la phase dispersée, la dite phase liquide ayant une vitesse superficielle inférieure à 1,5 cm/s. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 1 selon la présente invention montre un plateau distributeur selon la présente invention constitué de deux types de cheminées: - des cheminées périphériques (3) constituant la rangée la plus extérieure dudit plateau ou les deux rangées les plus extérieures, de hauteur Hp, possédant des orifices (4) pour le passage du liquide répartis le long des parois, l'orifice le plus haut se situant à une distance comprise entre 1 et 50 mm et préférentiellement entre 1 et 30 mm de l'extrémité supérieure de la cheminée. Les cheminées dites périphériques sont situées à une distance D1 de la paroi (1) du réacteur comprise entre 25 et 450 mm, et préférentiellement comprise entre 25 et 250 mm. Les cheminées périphériques (3), ne comportent pas d'ouverture pour le passage du gaz, situé à l'extrémité supérieure de la cheminée. Les cheminées périphériques (3), c'est à dire celles formant la première ou les deux premières rangées par rapport à la paroi (1) de l'enceinte du réacteur, sont raccourcies jusqu'au au niveau du dernier orifice (4) permettant le passage du liquide tout en respectant une distance minimale (d) par rapport à ce dernier orifice (4) qui est comprise entre 1 et 100 mm, préférentiellement entre 1 et 50 mm et de manière encore préférée comprise entre 1 et 30 mm.
Les cheminées dites centrales occupent le reste du plateau (10). Elles sont identiques aux cheminées périphériques excepté pour leur hauteur Hc qui est strictement supérieure à celle des cheminées périphériques Hp. Le diamètre et la répartition des orifices (4) pour le passage du liquide sont identiques à ceux des cheminées périphériques.30 Les cheminées centrales possèdent en outre une ouverture (5) pour le passage du gaz située à l'extrémité supérieure. Cette ouverture (5) peut avoir diverses formes comme par exemple, et de manière non exhaustive, une forme en biseau ou un gros orifice occupant toute l'extrémité supérieure.
Les cheminées centrales ont donc une hauteur Hc repérée par rapport à la base du plateau (10) comprise entre 100 et 500 mm, de préférence entre 200 et 350 mm. Le plateau (10) selon l'invention peut être utilisé dans un réacteur fonctionnant en en régime ruisselant, dans lequel la phase gaz correspond à la phase continue de l'écoulement diphasique et la phase liquide existe sous forme de filets avec une vitesse superficielle liquide inférieure à 1,5 cm/s. Le plateau selon l'invention peut être muni d'un système de dispersion placé sous le plateau (10) mais au dessus du lit catalytique aval à une distance comprise entre 10 et 100 mm de la base du plateau (10). La figure 2 est une vue de dessus qui permet de mettre en évidence la dimension D1 15 qui définit précisément l'emplacement des cheminées périphériques. Les cheminées périphériques tronquées se situent entre les parois du réacteur et la circonférence à distance D& de la, paroi du réacteur. L'invention est illustrée par l'exemple qui suit. 20 EXEMPLE Dans cet exemple deux plateaux sont comparés : l'un selon l'art antérieur comportant des cheminées ayant toute la même taille, et l'autre selon l'invention comportant des cheminées périphériques tronquées et des cheminées centrales de même dimension que les cheminées du plateau selon l'art antérieur. 25 Plateau selon l'art antérieur Le plateau distributeur comporte des cheminées de 250 mm de hauteur au dessus du plateau distributeur et de 50 mm de diamètre, comportant 3 séries d'orifices (4) pour le passage du liquide, situés respectivement à 50/100/150 mm de hauteur par rapport à la base des cheminées (3), avec une ouverture (5) en biseau de 50 mm 30 dans la partie supérieure pour laisser passer le gaz.
Le pas entre les cheminées est de 200 mm. Le plateau distributeur est situé 29 mm sous la ligne de tangence (6) à partir de laquelle commence l'hémisphère supérieur de la virole. Le diamètre de la virole est de 5000 mm et la hauteur hémisphérique supérieure de la virole est de 2500 mm. Plateau selon l'invention Les cheminées les plus proches de la paroi (1) sont tronquées à 160 mm de hauteur au dessus du plateau distributeur, soit 10 mm au dessus du centre de la dernière série d'orifices (4).
Le plateau distributeur peut donc être remonté d'une hauteur de 90 mm (250 - 160). Le plateau distributeur est donc maintenant situé 61 mm au dessus de la ligne de tangence. Ce gain en hauteur est utilisé pour augmenter la hauteur catalytique disponible dans le réacteur. Le fonctionnement est étudié pour les deux types de plateaux avec les conditions opératoires suivantes: Vitesse liquide d'arrivée dans le lit : 1 cm/s. Température : 650K. Pression : 40 Bars. ( 1 bar =105 pascals) 2% poids en soufre dans la charge.
Masse volumique de la charge 800 kg.rn-3 et Capacité calorifique de la charge 1800 J/kg/K. Réaction chimique d'ordre 1 par rapport au composé soufré de la charge et par rapport à l'hydrogène. Caractéristiques réaction : KO 5,1.107, Ea( énergie d'activation) = 120 kJ/mol, DH = 75 kJ/mol S.
Résultats: Avec le plateau selon l'art antérieur la concentration en soufre obtenue en sortie = 10 ppm. Avec le plateau selon l'invention on obtient un gain de 90 mm de hauteur de lit catalytique, soit une hauteur de lit catalytique de 3090 mm. La hauteur initiale de 3000 mm de lit catalytique est augmentée de 90 mm gagnés par le positionnement du plateau, plus haut dans la virole. Ce gain de hauteur, et donc de volume catalytique, permet de pousser plus loin la désulfuration de la charge. La concentration en soufre en sortie passe à 7,6 ppm.
Le positionnement plus en hauteur du plateau distributeur selon l'invention a donc au final permis une augmentation du degré de désulfuration de pratiquement 25% par rapport au positionnement selon l'art antérieur.15

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Plateau distributeur (10) permettant d'assurer la distribution d'un mélange polyphasique dans un réacteur, le plateau (10) étant situé dans la partie supérieure du réacteur au-dessus d'un lit de particules catalytiques (30), et étant constitué d'une pluralité de cheminées (3) munies d'orifices (4) répartis sur une partie de leur hauteur, caractérisé en ce que la partie des cheminées située en périphérie du plateau, (dite cheminées périphériques), a une hauteur Hp strictement inférieure à la hauteur Hc des cheminées situées au centre (dites cheminées centrales), ces cheminées périphériques n'ayant pas d'ouverture à leur extrémité supérieure, les cheminées centrales ayant au contraire une ouverture (5) à leur extrémité supérieure, les cheminées périphériques étant situées à une distance D1 de la paroi (1) du réacteur comprise entre 25 et 450 mm.
  2. 2. Plateau distributeur selon la revendication 1, dans lequel la distance D1 sur laquelle s'étendent les cheminées périphériques par rapport à la paroi (1) du réacteur est comprise entre 25 et 250 mm.
  3. 3. Plateau distributeur selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la 20 différence de hauteur entre les cheminées centrales et les cheminées périphériques est comprise entre 25 et 350 mm.
  4. 4. Plateau distributeur selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, dans lequel les orifices (4) pour le passage du liquide sont répartis le long des parois des 25 cheminées, l'orifice le plus haut se situant à une distance comprise entre 1 et 50 mm, et préférentiellement entre 1 et 30 mm de l'extrémité supérieure de la cheminée.
  5. 5. Plateau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les cheminées périphériques et centrales sont séparées d'un pas compris entre 100 et 30 250 mm, et préférentiellement compris entre 100 et 200 mm.
  6. 6. Plateau selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les cheminées centrales ont une hauteur (Hc) comprise entre 100 et 500 mm, et préférentiellement entre 200 et 350 mm .
  7. 7. Procédé d'hydrotraitement ou d'hydrogénation de coupes pétrolières ayant de C4 à C20 atomes de carbone faisant appel au plateau distributeur selon la revendication 1 le dit procédé fonctionnant en régime ruisselant, c'est à dire avec une phase liquide dispersée ayant une vitesse superficielle inférieure à 1,5 cm, et une phase gaz qui est la phase continue.10
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