FR3020968A1 - Reacteur a lit radial multitubulaire - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un réacteur (1) à lit radial, comprenant une enceinte pourvue d'une zone réactionnelle (10) à lit mobile de catalyseurs. Le réacteur comprend en outret à l'intérieur de la zone réactionnelle (10) : • au moins deux tubes de distribution (9) de la charge, chaque tube de distribution (9) de la charge ayant une première extrémité (11) en communication avec le moyen d'entrée de la charge et une seconde extrémité (12) fermée, les tubes de distribution (9) s'étendant de manière sensiblement verticale et sont conçus pour permettre le passage de la charge dans la zone réactionnelle (10) et retenir les catalyseurs; et • au moins deux tubes de collecte (13) de l'effluent, chaque tube de collecte ayant une première extrémité (14) en communication avec le moyen de sortie de l'effluent et une seconde extrémité (15) fermée, les tubes de collecte (13) s'étendant de manière sensiblement verticale et sont conçus pour permettre le passage de l'effluent dans le tube de collecte (13) et retenir les catalyseurs.
Description
La présente invention concerne le domaine des réacteurs pour réaliser des réactions catalytiques dans lequel le lit de catalyseur est mobile et dans lequel a lieu une circulation radiale de la charge à traiter depuis la périphérie de l'enceinte vers le centre ou depuis le centre de l'enceinte vers sa périphérie. Dans le cadre de l'invention, on qualifie de "radial" un écoulement des réactifs se faisant à travers un lit catalytique généralement mobile selon un ensemble de directions correspondant à des rayons orientés depuis la périphérie vers le centre ou depuis le centre vers la périphérie. La présente invention s'applique en particulier à un écoulement radial d'un réactif sous forme gazeuse.
Etat de la technique L'unité la plus représentative de ce type d'écoulement est une unité de reformage régénératif des coupes hydrocarbures de type essences qu'on peut définir comme ayant un intervalle de distillation compris entre 80 et 250°C. Certaines de ces unités à lit radial, dont le reformage régénératif, font appel à un écoulement du catalyseur dit en lit mobile, c'est à dire un écoulement gravitaire lent des particules de catalyseur confinées dans l'enceinte annulaire limitée par une grille externe et une paroi intérieure (par exemple une grille intérieure) correspondant au collecteur central qui récupère les effluents réactionnels. La charge est généralement introduite par la périphérie extérieure du lit annulaire et traverse le lit catalytique de manière sensiblement perpendiculaire à la direction verticale 20 d'écoulement de ce dernier. Les effluents réactionnels sont alors récupérés dans le collecteur central. Le lit catalytique est ainsi limité du côté intérieur par une grille intérieure retenant le catalyseur et du côté extérieur, soit par une autre grille du même type que la grille intérieure, soit par un dispositif consistant en un assemblage d'éléments de grille en forme de coquilles. 25 Les grilles intérieure et extérieure sont poreuses de manière à permettre du côté de la grille extérieure le passage de la charge dans le lit catalytique annulaire, et du côté de la grille intérieure le passage des effluents de réaction dans le collecteur central. On connaît dans l'état de la technique la demande de brevet FR 2948580 qui divulgue un réacteur à lit radial dans lequel la grille extérieure est remplacée par une pluralité de tubes 30 de distribution verticaux immergés au sein du lit catalytique au voisinage de la paroi du réacteur. Un tel ensemble présente une forte résistance mécanique qui permet ainsi de limiter les phénomènes de flambage et donc de réduire le temps d'immobilisation du réacteur lié à la réparations et/ou remplacement desdites grilles.
Ces réacteurs selon l'art antérieur présentent un inconvénient lié au fait qu'une partie non négligeable du volume est occupée par ces internes (grille et collecteur central). Dans certains cas, il peut arriver que le volume catalytique n'occupe qu'environ 50% du volume total de l'enceinte.
Un but de l'invention est de proposer un nouveau concept de réacteur en lit mobile de catalyseur et à circulation radiale pour lequel le volume catalytique est optimisé de manière à améliorer la capacité du réacteur pour un même volume utile de réacteur, et donc d'augmenter le débit de charge qui est susceptible d'être traitée dans le réacteur.
Résumé de l'invention A cette fin, il est proposé un réacteur s'étendant selon un axe vertical, comprenant : - une enceinte pourvue d'une zone réactionnelle à lit mobile de catalyseur; - au moins un moyen d'entrée d'une charge situé au-dessus de la zone réactionnelle; - au moins un moyen de sortie d'un effluent produit par la réaction catalytique, situé en- dessous de la zone réactionnelle; - au moins un moyen d'entrée du catalyseur apte à introduire le catalyseur dans une partie supérieure de la zone réactionnelle; - au moins un moyen de sortie du catalyseur débouchant dans une partie inférieure de la zone réactionnelle ; Le réacteur comprend en outre à l'intérieur de la zone réactionnelle : - au moins deux tubes de distribution de la charge, chaque tube de distribution de la charge ayant une première extrémité en communication avec le moyen d'entrée de la charge et une seconde extrémité fermée, les tubes de distribution s'étendant de manière sensiblement verticale et sont conçus pour permettre le passage de la charge dans la zone réactionnelle et retenir les catalyseurs; et - au moins deux tubes de collecte de l'effluent, chaque tube de collecte ayant une première extrémité en communication avec le moyen de sortie de l'effluent et une seconde extrémité fermée, les tubes de collecte s'étendant de manière sensiblement verticale et sont conçus pour permettre le passage de l'effluent dans le tube de collecte et retenir les catalyseurs.
La présente invention se rapporte ainsi à un réacteur de conversion catalytique avec une diffusion radiale de la charge gazeuse et à écoulement gravitaire lent du catalyseur qui inclut une pluralité de tubes de distribution de la charge, sensiblement verticaux, immergés au sein du lit catalytique et dans lequel le tube de collecte central des effluents réactionnels est remplacé par une pluralité de tubes de collecte de l'effluent sensiblement verticaux immergés dans le lit catalytique. On entend par "sensiblement verticaux" le fait que les tubes peuvent présenter une inclinaison compris entre 0 et 150 par rapport à l'axe central vertical du réacteur.
Une telle configuration d'interne de réacteur permet en effet un gain de volume catalytique pour un même volume utile de réacteur donné, donc d'augmenter le débit de la charge à traiter et par voie de conséquence la capacité du réacteur à iso-volume de réacteur. En d'autres termes, il est possible d'envisager de traiter un même débit de charge avec un réacteur selon l'invention dont les dimensions sont moindres par rapport à celles d'un réacteur de l'art antérieur. De préférence, le nombre de tubes de distribution de la charge est supérieur ou égal à quatre et le nombre de tubes de collecte de l'effluent est supérieur ou égal à quatre.
Le domaine d'application du réacteur selon l'invention comprend le reformage catalytique des essences, l'isomérisation squelettale de diverses coupes oléfiniques en 04, 05, ou encore le procédé de métathèse pour la production de propylène par exemple. Cette liste de procédé n'est pas exhaustive et la présente invention peut s'appliquer à tout type de procédé catalytique à flux radial d'une charge gazeuse.
Selon un mode réalisation, le moyen d'entrée de la charge comprend un tube d'entrée en communication avec un orifice formé dans la calandre du réacteur. De préférence le moyen de sortie de l'effluent comprend au moins un tube de sortie en 30 communication avec un orifice formé dans la calandre du réacteur. Selon un mode de réalisation préféré, le moyen d'entrée du catalyseur et le moyen d'évacuation du catalyseur comprennent au moins un tube ouvert aux extrémités et en communication avec un orifice formé dans la calandre du réacteur.
Dans un mode de réalisation préféré, le moyen d'entrée du catalyseur comprend une pluralité de tubes, chacun en communication avec un orifice formé dans la calandre du réacteur.
Dans un mode de réalisation avantageux du point de vue de la robustesse, le réacteur comprend un premier plateau supérieur solidaire de la calandre et les tubes de distribution de la charge sont supportés par le premier plateau et chacun des tubes de distribution de la charge est en communication avec un orifice formé dans ledit premier plateau. Dans ce mode de réalisation, avantageusement le moyen d'entrée du catalyseur comprend une pluralité de tubes qui sont également supportés par le premier plateau et chaque tube est en communication avec un orifice formé dans le premier plateau. Par exemple le premier plateau est de forme tronconique et de préférence tronconique de cône inversé, c'est-à-dire que le sommet du cône est dirigé vers la seconde extrémité du réacteur (le fond du réacteur). Le plateau supérieur est en outre conçu pour être étanche au catalyseur et aux gaz.
Selon un mode de réalisation préféré, le réacteur comprend en outre un second plateau inférieur solidaire de la calandre et la zone réactionnelle est comprise entre les premier et second plateaux. Les tubes de collecte sont supportés par le second plateau et chaque tube de collecte est en communication avec un orifice formé dans le second plateau. Le plateau inférieur est conçu pour être étanche au catalyseur et aux gaz. Dans ce mode de réalisation le moyen de sortie du catalyseur peut comprendre une pluralité de tubes de sortie du catalyseur qui sont supportés par le second plateau et chacun des tubes de sortie du catalyseur est en communication avec un orifice formé dans le second plateau et avec un orifice formé dans la calandre.
Dans un mode de réalisation préféré, le premier plateau et le second plateau sont conçus pour obturer respectivement les secondes extrémités des tubes de collecte de l'effluent et les secondes extrémités des tubes de distribution de la charge.
De façon avantageuse, les tubes de distribution et/ou de collecte de l'effluent sont fixés de manière amovible dans le réacteur. Selon un aspect de l'invention, les tubes de distribution et de collecte sont agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, en une pluralité de lignes de tubes. Dans un mode de réalisation, chaque ligne de tubes est constituée soit de tubes de distribution ou soit de tubes de collecte et les lignes de tubes sont arrangées de sorte qu'une ligne constituée de tubes de collecte soit disposée de manière adjacente à une ligne constituée de tubes de distribution. Selon un autre mode de réalisation, chaque ligne de tubes comprend alternativement un tube de distribution et un tube de collecte. Lorsque le réseau de tubes comprend des lignes de tubes, les tubes de deux lignes adjacentes peuvent être disposés en vis-à-vis, i.e. selon un pas dit "carré". Alternativement, lorsque le réseau de tubes comprend des lignes de tubes, les tubes de deux lignes adjacentes sont décalées, i.e. selon un pas dit "triangulaire". Selon un mode de réalisation alternatif, les tubes de distribution et de collecte sont agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, en formant une pluralité de rangées concentriques et dans lequel une rangée constituée de tubes de collecte est disposée de 15 manière adjacente à une rangée constituée de tubes de distribution. Selon un autre mode de réalisation, les tubes de distribution et de collecte sont agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, selon une pluralité de rangées concentriques et chaque rangée de tubes comprend une pluralité de tubes de distribution et de tubes de collecte. 20 Selon un mode de réalisation avantageux en terme d'optimisation de l'utilisation du volume catalytique, une partie des tubes de collecte et/ou de distribution sont accolés à la calandre du réacteur. Selon un mode de réalisation particulier, une partie des tubes de collecte et/ou de distribution fait partie intégrante de la calandre du réacteur. 25 Les tubes de collecte et de distribution peuvent être de section circulaire, ellipsoïdale, lenticulaire ou de forme quadrilatère (e.g. carré, rectangulaire ou losange) . Lorsque le tube de distribution de la charge ou de collecte de l'effluent est de section 30 circulaire, il présente un secteur de distribution ou de collecte d'angle d'ouverture a. L'angle a de distribution ou de collecte est généralement compris entre 30° et 360°, et préférentiellement compris entre 1800 et 3600 . Lorsque la section des tubes de distribution de la charge et/ou de collecte de l'effluent n'est pas de forme circulaire, l'étendue périphérique de la surface de collecte ou de distribution des tubes est de préférence d'au moins 50% de l'étendue périphérique totale de la section externe dudit tube. De préférence le secteur de distribution et de collecte (ou surface de distribution ou de collecte) respectivement des tubes de distribution de la charge et de collecte de l'effluent s'étend sur la majeure partie de la longueur verticale du tube. On entend par majeure partie une partie correspondant à 80% au moins de la longueur verticale du tube, et préférentiellement au moins 90% de la dite longueur.
Selon l'invention, le nombre de tubes de distribution de la charge et de tubes de collecte de l'effluent ainsi que leurs dimensions sont déterminés de sorte que la perte de charge moyenne des tubes de collecte soit égale à ± 20%, de préférence à ± 10%, de la perte de charge moyenne des tubes de distribution.
Description détaillée de l'invention Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées : - la figure 1 est une vue d'ensemble en perspective incluant une coupe partielle d'un réacteur selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe transversale selon l'axe vertical du réacteur de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe transversale selon l'axe vertical d'un réacteur selon l'invention; - la figure 4 est une vue en coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical du réacteur faisant apparaître un réseau de tubes selon un premier mode de distribution; - la figure 5 est une vue en coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical du réacteur faisant apparaître un réseau de tubes selon un second mode distribution; - la figure 6 est une vue en coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical du réacteur faisant apparaître un réseau de tubes selon un troisième mode distribution; - la figure 7 est un graphe de distribution des temps de séjour pour un réacteur selon l'art antérieur et selon l'invention.
Généralement, des éléments identiques sont dénotés par les mêmes références dans les figures. La figure 1 montre un réacteur catalytique 1 à flux radial selon l'invention qui se présente 5 sous la forme d'une bonbonne, formée par une calandre 2, délimitant une enceinte cylindrique qui s'étend selon un axe de symétrie sensiblement vertical (AZ). La calandre 2 comporte dans sa partie supérieure un premier orifice 3 et dans sa partie inférieure un second orifice 4 qui sont respectivement des moyens d'entrée de la charge à traiter et des moyens de sortie des effluents produits de la réaction catalytique. La calandre 10 2 délimite une enceinte qui contient une zone réactionnelle 10. Les premier et second orifices 3,4, situés respectivement au-dessus et en-dessous de la zone réactionnelle 10, sont entourés d'une tubulure 5,6 qui permet ainsi la connexion de la calandre à un système de tuyauterie d'entrée et de sortie de fluide. Comme indiqué sur la figure 1, la partie supérieure de la calandre 2 est traversée par une 15 pluralité de tubes (également appelé jambe) d'introduction 7 du catalyseur qui débouchent dans la partie supérieure de l'enceinte et dans la zone réactionnelle 10. La calandre comprend en outre une pluralité de tubes de d'évacuation (ou de soutirage) 8 du catalyseur disposés dans la partie inférieure de l'enceinte. Les tubes de d'évacuation (ou de soutirage) 8 du catalyseur plongent dans le fond de la zone réactionnelle 10 et débouchent à l'extérieur 20 du réacteur 1. Le catalyseur qui est distribué dans la zone réactionnelle 10 se présente sous forme de particules par exemple sphérique de diamètre généralement compris entre 1 à 5 mm. Bien entendu, le catalyseur peut prendre d'autres formes telle que par exemple de granulé cylindrique. Selon la présente invention, le réacteur 1 comprend une pluralité de tubes de distribution de 25 la charge 9 qui débouchent dans la zone réactionnelle 10. Les tubes de distribution de la charge 9 s'étendent dans la zone réactionnelle 10 selon une direction sensiblement verticale, de préférence sensiblement parallèle à l'axe de symétrie AZ, et sur au moins 80% de la hauteur de la zone réactionnelle 10. Les tubes de distribution de la charge 9 sont ouverts à leur première extrémité 11 qui est 30 communication avec le premier orifice supérieure 3 de la calandre du réacteur. Quant à la seconde extrémité inférieure 12, elle est fermée de manière à empêcher le passage de la charge par la seconde extrémité. Les tubes de distribution de la charge 9 sont conçus de manière à être perméables au gaz et imperméables au catalyseur. Les tubes de distribution de la charge 9, qui peuvent être considérés comme des dispositifs de filtration autorisant le passage de la charge gazeuse dans la zone réactionnelle 10 et empêchant le passage du catalyseur de la zone réactionnelle 10 dans le tube de distribution, peuvent se présenter par exemple sous la forme d'un tube pourvu d'ouvertures dont la dimension est inférieure à la taille des particules de catalyseur ou encore sous la forme d'une grille du type "Johnson" connue de l'homme du métier. En référence à la figure 1, le réacteur 1 selon l'invention comprend en outre une pluralité de tubes de collecte de l'effluent 13 (produit de la réaction catalytique) plongeant dans la zone réactionnelle 10 et qui s'étendent selon une direction sensiblement verticale, de préférence sensiblement parallèle à l'axe de symétrie (AZ). Les tubes de collecte de l'effluent 13 sont ouverts à une première extrémité 14 qui est en communication avec le second orifice 4 (de sortie de l'effluent) formé dans la calandre tandis que la seconde extrémité 15 opposée à la première extrémité 14 est fermée. Les tubes de collecte 13 de l'effluent sont conçus de manière à être perméables aux produits de la réaction (effluent réactionnel) et imperméables au catalyseur. Les tubes de collecte, qui peuvent être vus comme des dispositifs de filtration autorisant le passage de l'effluent depuis la zone réactionnelle 10 dans le tube de collecte et empêchant le passage du catalyseur de la zone réactionnelle 10 dans le tube de collecte, peuvent se présenter par exemple sous la forme d'un tube formé d'une tôle et pourvu d'ouvertures dont la dimension est inférieure à la taille des particules de catalyseur ou encore sous la forme d'une grille du type "Johnson" connue de l'homme du métier.
La figure 2 est une vue de l'interne du réacteur de la figure 1, montrant en détail les parties supérieure et inférieure du réacteur. On observe sur la figure 2 que la partie supérieure du réacteur 1 est pourvue d'un plateau supérieur 16 solidaire de la calandre 2. Ainsi le réservoir est divisé en deux zones à savoir: - une zone de confinement de la charge 17 située au-dessus du plateau supérieur 16, comprise entre la calandre 2 et le plateau supérieur 16; et - une zone réactionnelle 10 située en-dessous du plateau supérieur 16 et s'étendant jusqu'au fond du réacteur.
Le plateau supérieur 16 est constitué en un matériau étanche aux particules de catalyseur et également aux gaz circulant dans la zone de confinement 17 et la zone réactionnelle 10.
Comme montré sur figure 2, les tubes de distribution de la charge 9 sont supportés par le plateau supérieur 16 et le traversent de sorte que leur première extrémité libre 11 ouverte débouche dans la zone de confinement de la charge 17. On note également que les jambes d'introduction du catalyseur 7 sont supportées par le 5 plateau supérieur 16 et sont agencées de manière à ce que leur extrémité libre ouverte débouche dans la partie supérieure de la zone réactionnelle 10 située sous le plateau supérieur 16. La figure 2 montre également que le plateau supérieur 16 comprend une partie en tronc de cône inversé 18 (i.e. le sommet du cône est dirigé vers le fond du réacteur) dont la base 10 circulaire a un diamètre inférieur à celui de l'enceinte et une jupe circulaire 19 qui assure la liaison de la partie tronconique 18 à la calandre 2. La jupe circulaire 19 est de pente descendante en direction du fond du réacteur 1. On remarque également que la base du cône est reliée à la jupe circulaire 19 au moyen d'un méplat 20 annulaire qui est traversé par les tubes de distribution 7 du catalyseur dont l'extrémité ouverte débouche dans la zone 15 réactionnelle 10. Comme indiqué dans la figure 2 la jupe 19, vue en coupe, comporte également une portion annulaire 24 s'étendant selon l'axe vertical et reliée au méplat 20. Comme visible sur la figure 2, la partie supérieure de la zone réactionnelle 10 comporte ainsi une première zone annulaire cylindrique prolongée par une seconde zone annulaire de section essentiellement 20 tronconique de dimension supérieure à la première zone annulaire. Le catalyseur qui est introduit par les jambes de distribution 7 passe dans la première section annulaire cylindrique puis est dispersé dans la seconde zone annulaire tronconique. Dans le cadre de l'invention et de manière alternative, la jupe 19 peut s'étendre dans un plan essentiellement horizontal, c'est-à-dire perpendiculaire à l'axe vertical (AZ). 25 Bien entendu le plateau supérieur 16 peut prendre d'autres configurations telle que par exemple un disque qui comprend des orifices par lesquels traversent les tubes de distribution du catalyseur et les tubes de distribution de la charge. Toujours en référence à la figure 2, dans la zone réactionnelle 10 située sous le plateau supérieur 16, sont disposés des tubes de collecte de l'effluent 13. Les tubes de collecte 13 30 comprennent une première extrémité inférieure 14 ouverte qui est en communication avec l'orifice de sortie 4 de l'effluent et une seconde extrémité supérieure 15 fermée. De façon avantageuse d'un point de vue du maintien mécanique, la seconde extrémité 15 est fixée solidairement au plateau supérieur 16 et de préférence de manière amovible afin d'autoriser un remplacement aisé du tube. Dans l'exemple de réalisation présenté à la figure 2, l'extrémité inférieure 14 des tubes de collecte 13 est fixée à la calandre 2 au moyen d'un tube central 21 faisant partie intégrante de la calandre 2 et qui s'étend dans une partie inférieure de la zone réactionnelle 10. De façon avantageuse, afin de faciliter le montage des tubes de collecte 13 à la calandre, la partie inférieure des tubes de collecte 13 est coudée de manière à épouser la partie inférieure bombée de la calandre 2 du réacteur 1. Un mode de réalisation alternatif d'un réacteur selon l'invention est représenté schématiquement à la figure 3 qui est une vue en coupe transversale selon un plan parallèle à l'axe de symétrie (AZ) du réacteur 1.
Le réacteur de la figure 3 comprend un premier plateau circulaire supérieur 16 et un second plateau circulaire inférieur 22 solidaires de la calandre 2. Le second plateau est réalisé en un matériau étanche au catalyseur et aux gaz. La zone réactionnelle 10 dans laquelle est confinée le catalyseur et la charge est délimitée par le volume de l'enceinte compris entre les premier et second plateaux 16,22. Dans ce mode de réalisation on notera que de façon avantageuse, les secondes extrémités des tubes de distribution de la charge 9 et des tubes de collecte de l'effluent 13 sont obturées respectivement par le second plateau 22 et par le premier plateau 16. De préférence lesdits tubes sont fixées de manière amovible auxdits plateaux. Le principe de fonctionnement du réacteur à lit mobile de catalyseur selon l'invention est 20 maintenant décrit en référence à la figure 3. La charge gazeuse d'hydrocarbures est envoyée dans le réacteur 1 à travers l'orifice supérieur 3 via la tubulure d'injection 5 et remplit le volume de confinement de la charge 17 délimité par la calandre et le plateau supérieur 16. La charge est amenée dans la zone réactionnelle 10 au moyen des tubes de distribution 9 verticaux via l'ouverture supérieure 11 25 débouchant dans la zone de confinement de la charge 17. La charge transite dans les tubes de distribution 9 et diffuse radialement à travers les tubes de distribution, perméables au fluide gazeux et imperméables aux particules de catalyseur, dans la zone réactionnelle 10. Quant au catalyseur, il est envoyé en continu dans la zone réactionnelle 10, via les tubes (ou jambes) de distribution du catalyseur 7 dont l'extrémité libre débouche dans la zone 30 réactionnelle 10, de manière gravitaire à une vitesse relativement faible (de l'ordre du mètre par heure). Le catalyseur remplit ainsi la zone réactionnelle 10 et est par ailleurs continuellement soutiré de la zone réactionnelle 10 et évacué hors du réacteur par l'intermédiaire des tubes (ou jambes) de sortie du catalyseur 8. Le catalyseur qui se répartit alors de manière uniforme pour occuper le volume de la zone réactionnelle 10 rentre en contact avec la charge pour réaliser la réaction de conversion catalytique et produire un effluent réactionnel. L'effluent réactionnel est collecté dans les tubes de collecte de l'effluent 13, perméables à l'effluent réactionnel et imperméables au catalyseur. Comme indiqué par les flèches en trait plein dans la figure 3, l'effluent diffuse radialement à travers les tubes de collecte de l'effluent 13 et est conduit à travers le plateau inférieur 22 dans un espace de confinement de l'effluent 23 situé en-dessous du plateau inférieur. L'effluent s'évacue du réacteur par l'orifice de sortie de l'effluent 4 par l'intermédiaire de la tubulure de sortie 6 qui est en communication avec l'espace de confinement 23 de l'effluent.
La figure 4 illustre un premier exemple de mode de distribution des tubes de collecte de l'effluent 13 et de distribution de la charge 9 dans le réacteur. En référence à la figure 4, qui est une vue en coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical du réacteur, les tubes de collecte et de distribution sont disposés selon un réseau constitué de lignes de tubes. Dans l'exemple de la figure 4, le réseau comprend une pluralité de lignes constituées de tubes de distribution de la charge (E) et une pluralité de lignes constituées de tubes de collecte (S) une ligne constituée de tubes de collecte est disposée de manière adjacente à une ligne constituée de tubes de distribution. La figure 5 représente un autre mode de distribution des tubes de collecte de l'effluent et de distribution de la charge dans lequel les tubes de collecte et de distribution sont disposés en formant un réseau de lignes de tubes. L'agencement de la figure 5 se caractérise par le fait que chaque ligne de tubes comprend alternativement un tube de distribution de la charge (E) et un tube de collecte de l'effluent (S).
Dans le cadre de l'invention et dans le cas où les tubes de collecte de l'effluent et de distribution de la charge sont répartis selon des lignes, les tubes de deux lignes adjacentes peuvent être disposés soit en vis-à-vis en formant un pas carré, soit décalés en formant un pas triangulaire comme représenté à la figure 4 ou 5.
Selon un autre mode de distribution des tubes de collecte de l'effluent et de distribution de la charge représenté à la figure 6, les tubes sont agencés sur une pluralité de rangées approximativement concentriques constitués alternativement de tubes de collecte de l'effluent (S) et de tubes de distribution de la charge (E). On entend par "approximativement concentrique", le fait que les centres de toutes les rangées sont contenus dans un cercle centré sur le centre de l'enceinte. Il est également possible dans le cas d'une configuration en rangées concentriques de tubes, d'alterner successivement dans une même rangée des tubes de collecte l'effluent (S) et des 5 tubes de distribution de la charge (E). De préférence, lorsque les tubes de distribution de la charge et les tubes de collecte de l'effluent sont de section circulaire, ils présentent respectivement un secteur angulaire de diffusion et un secteur angulaire de collecte dont l'angle d'ouverture a est compris généralement entre 300 et 360° et préférentiellement compris entre 1800 et 3600 . 10 Lorsque la section des tubes de distribution de la charge et/ou de collecte de l'effluent n'est pas de forme circulaire, l'étendue périphérique de la surface de collecte ou de distribution des tubes est de préférence d'au moins 50% de l'étendue périphérique totale de la section externe dudit tube. 15 Selon une autre caractéristique particulière de la présente invention, le secteur angulaire (ou surface) de distribution et/ou de collecte des tubes est réalisé au moyen d'une grille du type "Johnson". Selon un autre mode de réalisation, le secteur (ou surface) de distribution et/ou de collecte des tubes est réalisé au moyen d'orifices répartis dans la paroi dudit secteur, le diamètre des orifices étant compris entre 0,3 et 0,8 dp, dp désignant le diamètre minimum 20 des grains de catalyseur. On entend par "diamètre minimum", la distance minimum, mesurée entre deux points opposés pris du catalyseur. Il est à noter qu'il est possible également d'accoler une partie les tubes (de collecte de l'effluent et/ou de distribution de la charge) à la calandre afin de maximiser le volume 25 catalytique utile de la zone réactionnelle. Selon une autre alternative, une partie des tubes fait partie intégrante de la calandre. Toujours dans le cadre de l'invention, la section des tubes peut être différente d'une section circulaire par exemple de forme carré, rectangulaire, triangulaire ou en ellipse. 30 Afin d'assurer une tenue mécanique des tubes, il est possible de prévoir en outre des moyens de liaison entre les tubes, par exemple de barres, solidarisés auxdits tubes par exemple par soudage. Les barres de maintien peuvent avantageusement être solidaires de la calandre.
A titre d'exemple non limitatif, un réacteur selon l'invention a les caractéristiques suivantes: - Diamètre interne de la zone réactionnelle compris entre 1,5 et 6 m - Diamètre interne des tubes compris entre 0,1 et 0,6 m - Distance entre deux tubes adjacents comprises entre 0,2 et 0,9 m Le nombre de tubes de distribution de la charge et de tubes de collecte de l'effluent ainsi que leurs dimensions sont déterminés de sorte que la perte de charge moyenne des tubes de collecte soit égale à ± 20%, de préférence à ± 10%, de la perte de charge moyenne des tubes de distribution. Il est possible de rajouter un élément générateur de perte de charge, par exemple une grille perforée, sur les tubes de distribution ou de collecte afin de garantir une diffusion uniforme du fluide sur toute la hauteur des tubes.
Exemple L'exemple décrit ci-dessous compare des distributions de temps de séjour (DIS) par simulation dans des réacteurs selon l'art antérieur et selon l'invention. Il est ainsi possible d'obtenir pour chacun des deux réacteurs une distribution des temps de séjour, que l'on peut en particulier caractériser par le temps de séjour moyen de la charge dans le réacteur, variable directement corrélée avec la conversion de la charge. Le réacteur "selon l'art antérieur" a un diamètre interne de 2,8 m. L'enceinte comprend un lit catalytique à la forme d'un anneau cylindrique vertical limité du côté intérieur par une grille cylindrique intérieure retenant le catalyseur et du côté extérieur par une grille cylindrique du même type que la grille intérieure. Après la traversée du lit catalytique, les effluents réactionnels sont collectés dans un collecteur cylindrique vertical à travers la grille intérieure de retenu du catalyseur. Le diamètre de grille externe est de 2,4 m et le diamètre de la grille interne de 0,9 m. Les grilles ont une hauteur efficace de 9 m.
Dans le réacteur selon l'invention, les grilles externe et interne sont remplacées par des tubes de diamètre 0,19 m avec un pas triangulaire entre les tubes de 0,52 m. Le diamètre est le même pour les tubes de collecte et les tubes de distribution. Ce réacteur comprend dix-neuf tubes situés dans le lit catalytique et un équivalent de 7 tubes accolés à la calandre.
Six des tubes situés dans le lit ainsi que la totalité des tubes accolés à la calandre sont des tubes d'injection (équivalent de 13 tubes). Les autres tubes (13 restant dans le lit catalytique) sont des tubes de collecte. Enfin, le diamètre interne du réacteur est toujours égal à 2,8 m et la hauteur efficace des tubes est de 9 m.
Pour la simulation avec le réacteur selon l'art antérieur, le débit nominal de la charge gazeuse passant dans le réacteur est de 120 t/h et en supposant que la densité de la charge est en moyenne de 1,8 kg/m3 et avec une viscosité de 2.10-5 Pa.s. Le catalyseur est supposé être sous la forme de grain de diamètre 2 mm et avec un taux de vide entre les grains égal à 41%. Les mêmes données sont utilisées pour la simulation du réacteur selon l'invention, à l'exception du débit de charge qui est augmenté de 38%. Pour chacun des deux réacteurs, les distributions de temps de séjour sont obtenues numériquement avec le logiciel COMSOL Multiphysics 4.2a. La charge est envoyée dans le réacteur au temps t=0 et le débit de charge est ensuite maintenue dans le temps.
Les simulations démontrent que les pertes de charge moyennes dans les tubes de distribution (10 mBar) et dans les tubes de collecte (9 mBar) sont effectivement très proches (écart 10%).
Les simulations DIS montrent par ailleurs que le temps de séjour moyen de la charge dans le réacteur selon l'art antérieur et selon l'invention pour lequel on a augmenté le débit nominal de la charge de 38% est identique (Figure 7). En d'autres termes, pour une même taille de réacteur, le réacteur selon l'invention permet de passer un débit de charge augmenté de 38%, à iso conversion de la charge (même temps de séjour). Ainsi grâce au concept de réacteur selon l'invention il est possible d'augmenter le débit de charge à isovolume de réacteur et donc d'améliorer la productivité du réacteur.
Claims (16)
- REVENDICATIONS1. Réacteur (1) s'étendant selon un axe vertical, comprenant : - une enceinte pourvue d'une zone réactionnelle (10) à lit mobile de catalyseur; - au moins un moyen d'entrée d'une charge situé au-dessus de la zone réactionnelle (10); - au moins un moyen de sortie d'un effluent produit par la réaction catalytique, situé en-dessous de la zone réactionnelle (10); - au moins un moyen d'entrée (7) du catalyseur apte à introduire le catalyseur dans une partie supérieure de la zone réactionnelle (10); - au moins un moyen de sortie (8) du catalyseur débouchant dans une partie inférieure de la zone réactionnelle (10) ; le réacteur comprenant à l'intérieur de la zone réactionnelle (10) : - au moins deux tubes de distribution (9) de la charge, chaque tube de distribution (9) de la charge ayant une première extrémité (11) en communication avec le moyen d'entrée de la charge et une seconde extrémité (12) fermée, les tubes de distribution (9) s'étendant de manière sensiblement verticale et sont conçus pour permettre le passage de la charge dans la zone réactionnelle (10) et retenir les catalyseurs; et - au moins deux tubes de collecte (13) de l'effluent, chaque tube de collecte ayant une première extrémité (14) en communication avec le moyen de sortie de l'effluent et une seconde extrémité (15) fermée, les tubes de collecte (13) s'étendant de manière sensiblement verticale et sont conçus pour permettre le passage de l'effluent dans le tube de collecte (13) et retenir les catalyseurs.
- 2. Réacteur selon la revendication 1, dans lequel le réacteur (1) est formé d'une calandre (2) et le moyen d'entrée de la charge comprend un tube d'entrée (5) en communication avec un orifice (3) formé dans la calandre (2).
- 3. Réacteur selon les revendications 1 ou 2, dans lequel le réacteur (1) est formé d'une calandre (2) et le moyen de sortie d'un effluent comprend un tube de sortie (6) en communication avec un orifice (4) formé dans la calandre (2).
- 4. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le réacteur (1) est formé d'une calandre (2) et dans lequel le moyen d'entrée (7) du catalyseur et le moyen de sortie (8) du catalyseur comprennent au moins un tube ouvert aux extrémités et ledit tube (7,8) est en communication avec un orifice formé dans la calandre (2).
- 5. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le réacteur (1) est formé d'une calandre (2) et comprend un premier plateau supérieur (16) solidaire de la calandre (2) et dans lequel les tubes de distribution de la charge (9) sont supportés par le premier plateau (16) et chacun des tubes de distribution (9) de la charge et le moyen d'entrée (7) du catalyseur sont respectivement en communication avec un orifice formé dans le premier plateau supérieur (16).
- 6. Réacteur selon la revendication 5, dans lequel le premier plateau supérieur (16) est de forme tronconique.
- 7. Réacteur selon l'une des revendications 5 à 6, dans lequel le réacteur comprend en outre un second plateau inférieur (23) solidaire de la calandre (2) et la zone réactionnelle (10) étant définie entre les premier et second plateaux et dans lequel les tubes de collecte (13) de l'effluent sont supportés par le second plateau inférieur (23) et chacun tubes de collecte (13) de l'effluent et des moyens de sortie (8) du catalyseur sont en communication avec un orifice formé dans le second plateau inférieur (23).
- 8. Réacteur selon la revendication 7, dans lequel le premier plateau supérieur (16) et le second plateau inférieur (23) obturent respectivement les secondes extrémités (15) des tubes de collecte (13) de l'effluent et les secondes extrémités (12) des tubes de distribution (9) de la charge.
- 9. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les tubes de distribution (9) et de collecte (13) sont agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, en une pluralité de lignes de tubes, dans lequel chaque ligne de tubes est constituée de tubes de distribution de la charge ou de tubes de collecte de l'effluentet dans lequel une ligne constituée de tubes de collecte de l'effluent (13) est disposée de manière adjacente à une ligne constituée de tubes de distribution de la charge (9).
- 10. Réacteur selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel les tubes de distribution (9) et de collecte (13) sont agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, en une pluralité de lignes de tubes, dans lequel chaque ligne de tubes comprend alternativement un tube de distribution de la charge (9) et un tube de collecte de l'effluent (13).
- 11. Réacteur selon les revendications 9 ou 10, dans lequel les tubes de deux lignes adjacentes sont disposés en vis-à-vis en formant un pas carré.
- 12. Réacteur selon les revendications 9 ou 10, dans lequel les tubes de deux lignes adjacentes sont disposés de façon décalée en formant un pas triangulaire. 15
- 13. Réacteur selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel les tubes de distribution (9) et de collecte (13) sont agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, sur une pluralité de rangées concentriques de tubes et dans lequel une rangée constituée de tubes de collecte de l'effluent (13) est disposée de manière adjacente à 20 une rangée constitué de tubes de distribution de la charge.
- 14. Réacteur selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel les tubes de distribution (9) et de collecte (13) sont agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, selon une pluralité de rangées concentriques de tubes et dans lequel chaque rangée 25 de tubes comprend des tubes de distribution (9) et de tubes de collecte (13).
- 15. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel des tubes de distribution et/ou de collecte (9, 13) sont accolés à la calandre (2) du réacteur. 30
- 16. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les tubes de collecte (13) et de distribution (9) sont de section circulaire, ellipsoïdale ou lenticulaire ou de forme quadrilatère.
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