FR3128133A1 - Réacteur tubulaire à lit fixe avec élément filtrant - Google Patents

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Julien Cigna
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Abstract

L’invention concerne un réacteur tubulaire (1) qui comprend un lit de poudre catalytique confiné dans un espace annulaire (30), un insert creux (20) comprenant une chambre de distribution (40) et une chambre de collecte (50), une deuxième paroi (21) comprenant au moins une ouverture distributrice (42) et au moins une ouverture collectrice, caractérisé en ce que le réacteur (1) comporte au moins un élément filtrant (61) positionné au niveau de ladite au moins une ouverture collectrice (52) et au niveau de ladite au moins une ouverture distributrice (42), prévenant le passage de poudre catalytique depuis l’espace annulaire (30) vers ladite au moins une chambre de collecte (50) et de distribution (40), et étant en appui contre la surface externe de la deuxième paroi (21) et recouvrant ladite au moins une ouverture collectrice (52) et distributrice (42) et/ou étant logé à l’intérieur de ladite au moins une ouverture collectrice (52) et distributrice (42). Figure pour l’abrégé : Figure 1

Description

Réacteur tubulaire à lit fixe avec élément filtrant
La présente invention se rapporte au domaine des réacteurs-échangeurs. En particulier, la présente invention se rapporte au domaine des réacteurs-échangeurs catalytiques mettant en œuvre un catalyseur solide, et notamment un catalyseur solide sous forme de poudre, ainsi qu’au domaine des moyens de confinement d’un tel catalyseur.
La présente invention propose à cet égard un réacteur-échangeur catalytique susceptible de mettre en œuvre des procédés de synthèses organiques exothermiques. Ces composés organiques peuvent notamment comprendre des carburants de synthèse et du combustible.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les réacteurs catalytiques utilisant des catalyseurs solides sont largement mis en œuvre pour la synthèse de composés organiques tels que les carburants de synthèse ou les combustibles parmi lesquels on peut citer les substituts de gaz naturel, le diméthyléther ou encore le méthanol.
Ces composés sont notamment obtenus par réaction d’hydrogène et d’oxyde de carbone en présence d’un catalyseur solide approprié.
Toutefois, les réactions chimiques relatives à la synthèse de ces composés sont très exothermiques, et dégagent par voie de conséquence une quantité de chaleur susceptible de dégrader le catalyseur solide. Il résulte de cette dégradation une réduction du taux de conversion des espèces chimiques en présence, et une diminution de la sélectivité des réactions mises en jeu. Par ailleurs, le catalyseur solide se désactive sous l’effet de la chaleur.
Ainsi, en pratique, ces réactions peuvent être mises en œuvre dans un réacteur-échangeur du type tube-calandre qui comprend un canal réactif pourvu du catalyseur solide et refroidi continument par un fluide caloporteur. Dans ce type de réacteur, les gaz réactifs circulent axialement dans les tubes qui contiennent un catalyseur, par exemple en poudre.
Néanmoins, en dépit de la mise en œuvre d’un refroidissement par le fluide caloporteur, ce type de réacteur reste sensible à la chaleur dégagée par les réactions se produisant dans le réacteur.
En particulier, un point chaud, généralement observé à proximité de l’entrée des gaz réactifs, dégrade le catalyseur solide, et réduit donc les performances du réacteur-échangeur.
Afin de limiter ces effets, les solutions suivantes ont été proposées :
- une réduction de la densité volumique de catalyseur, notamment en déposant ce dernier sur les parois du tube ou d’un insert ou en le diluant dans un milieu non réactif ;
- une dilution des gaz réactifs avec une partie des produits générés pour diminuer l’activité de la réaction ;
- réaliser plusieurs points d’injection d’un ou de plusieurs réactifs pour répartir la zone du point chaud sur une plus grande surface ;
- une réduction des dimensions des tubes ou en y plaçant des pièces conductrices de la chaleur afin d’améliorer le refroidissement des tubes.
Ces solutions ne sont toutefois pas satisfaisantes.
En effet, quand bien même elles permettent de réduire les effets du point chaud, elles sont complexes à mettre en œuvre.
Par ailleurs, leur mise en œuvre diminue la flexibilité d’utilisation du réacteur-échangeur, et rend ce dernier peu compact.
Afin de pallier ces problèmes, il alors été proposé un agencement permettant de répartir la distribution des réactifs sur toute la longueur des tubes. Cette solution permet alors d’obtenir une meilleure homogénéité de la température sur toute la longueur du réacteur.
A cet égard, les documents US 3,758,279 A, US 4,374,094 A, EP 0 560 157 A1 et US 2,997,374 A proposent des réacteurs-échangeurs mettant en œuvre une distribution des réactifs à partir d’un espace de distribution annulaire. Notamment, ces réacteurs-échangeurs, de forme généralement cylindrique, comprennent, agencés de manière coaxiale et à partir de l’extérieur du réacteur, un tube, l’espace de distribution annulaire, une charge de catalyseur et un espace de collecte.
Cet agencement n’est toutefois pas satisfaisant.
En effet, la présence de l’espace de distribution annulaire disposé autour de la charge de catalyseur, limite les transferts de chaleur du catalyseur vers le tube rendant peu efficace les systèmes de refroidissement généralement mis en œuvre. Il reste néanmoins possible d’insérer des éléments conducteurs de chaleur dans le réacteur. Une telle solution reste toutefois incompatible avec les réacteurs comprenant des tubes de faible diamètre.
Inversement, le document CN 103990420 A propose de mettre en œuvre un insert pourvu d’une chambre de distribution et d’une chambre de collecte, disposée au centre d’un tube et définissant avec ce dernier une espace annulaire logeant le catalyseur solide.
Toutefois, l’agencement proposé dans ce document ne permet pas de répartir de manière homogène au sein de l’espace annulaire. Plus particulièrement, cet agencement ne permet pas d’obtenir un profil de température optimal au sein du catalyseur solide.
Par ailleurs, on connait de la demande de brevet européen EP 3 827 895 A1 de la Demanderesse un principe de distribution étagée de gaz dans un réacteur-échangeur. Le réacteur comporte un catalyseur prévu dans un espace annulaire situé entre un tube creux et un insert creux pourvu de chambres de distribution et de collecte. Le principe de confinement du catalyseur n’est pas enseigné et il subsiste un besoin pour concevoir une solution à cette problématique de confinement du lit de poudre catalytique.
Un but de la présente invention est de proposer un réacteur tubulaire à lit fixe permettant une distribution plus uniforme des réactifs au sein du catalyseur solide.
Un autre but de la présente invention est également de proposer un réacteur tubulaire à lit fixe permettant une répartition plus homogène du flux de chaleur généré au sein du catalyseur solide.
Un autre but de la présente invention est également de proposer un réacteur tubulaire permettant une meilleure gestion du refroidissement.
Un autre but de la présente invention est également de proposer un réacteur tubulaire pour lequel la fiabilité et la durée de vie sont améliorées au regard des réacteurs connus de l’état de la technique.
Un autre but de la présente invention est de proposer un réacteur tubulaire permettant d’optimiser (augmenter) le temps de passage des gaz dans le lit fixe de poudre catalytique.
L’invention vise à remédier au moins partiellement aux besoins et buts mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l’art antérieur.
L’invention a ainsi pour objet, selon l’un de ses aspects, un réacteur tubulaire à lit fixe qui s’étend, selon un axe longitudinal, entre une première extrémité et une deuxième extrémité,
le réacteur comprenant un lit de poudre catalytique confiné dans un espace annulaire délimité par une première paroi d’un tube creux et une deuxième paroi d’un insert creux, disposé dans le tube creux et de manière coaxiale à ce dernier,
l’insert creux comprenant au moins une chambre de distribution et au moins une chambre de collecte, séparées l’une de l’autre par une paroi séparatrice, et comprenant, respectivement, une ouverture d’admission de gaz au niveau de la première extrémité et une ouverture d’évacuation de gaz au niveau de la deuxième extrémité,
la deuxième paroi comprenant au moins une ouverture distributrice et au moins une ouverture collectrice, qui s’étendent sur une longueur, l’ouverture distributrice permettant la distribution d’un gaz susceptible d’être admis par l’ouverture d’admission de la chambre de distribution vers l’espace annulaire, et l’ouverture collectrice permettant la collecte du gaz distribué dans l’espace annulaire par la chambre de collecte,
caractérisé en ce que le réacteur comporte au moins un élément filtrant positionné au niveau de ladite au moins une ouverture collectrice entre ladite au moins une chambre de collecte et l’espace annulaire, ainsi qu’au niveau de ladite au moins une ouverture distributrice entre ladite au moins une chambre de distribution et l’espace annulaire, ledit au moins un élément filtrant prévenant le passage de poudre catalytique depuis l’espace annulaire respectivement vers ladite au moins une chambre de collecte et ladite au moins une chambre de distribution,
ledit au moins un élément filtrant étant en appui contre la surface externe de la deuxième paroi et recouvrant totalement ladite au moins une ouverture collectrice et ladite au moins une ouverture distributrice et/ou étant logé au moins partiellement à l’intérieur de ladite au moins une ouverture collectrice et ladite au moins une ouverture distributrice.
Le réacteur selon l’invention peut en outre comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.
Il est entendu que dans la mesure où le réacteur selon la présente invention est tubulaire, le tube creux et l’insert creux sont nécessairement de forme cylindrique mais pas nécessairement cylindrique de révolution.
Par ailleurs, dès lors que l’insert creux est disposé dans le tube creux et de manière coaxiale à ce dernier, l’espace annulaire peut présenter une symétrie de révolution.
Ainsi, le réacteur selon la présente invention permet de distribuer les gaz réactifs, du fait de l’étendue de l’ouverture de distribution, de manière relativement homogène dans l’espace annulaire. Ces derniers réagissent alors avec le lit de poudre catalytique sur toute la section couverte par l’ouverture de distribution. Les produits issus de la réaction des gaz, ainsi que les gaz n’ayant pas réagi sont collectés au niveau de l’ouverture de collecte et évacués du réacteur par l’ouverture d’évacuation opposée à l’ouverture d’admission.
Cet agencement pour lequel l’admission des gaz se fait par une extrémité et l’évacuation par l’autre extrémité permet une meilleure répartition des espèces réactives (les gaz) dans l’espace annulaire, et par voie de conséquence une meilleure répartition de la chaleur susceptible d’être dégagée lors de la réaction des espèces réactives dans l’espace annulaire.
Cette meilleure répartition de la chaleur dégagée permet de considérer un système de refroidissement moins puissant et donc de plus petites dimensions.
L’agencement selon la présente invention permet donc d’envisager un réacteur plus compact, et d’une fiabilité améliorée au regard des réacteurs tubulaires connus de l’état de la technique.
Ledit au moins un élément filtrant peut se présenter au moins en partie sous la forme d’une ou plusieurs feuilles filtrantes positionnées contre la surface externe de la deuxième paroi de l’insert creux et recouvrant totalement ladite au moins une ouverture collectrice et ladite au moins une ouverture distributrice par appui sur la surface externe de la deuxième paroi de part et d’autre de celles-ci.
La ou les feuilles filtrantes peuvent comporter un tissu, un feutre, par exemple en fibres de verre, fibres métalliques, fibres de carbone, une grille métallique et/ou une tôle métallique microperforée, entre autres.
De plus, la ou les feuilles filtrantes peuvent se présenter sous une forme au moins en partie cylindrique, notamment sous la forme d’une ou plusieurs portions de forme cylindrique, épousant la forme cylindrique de la surface externe de la deuxième paroi de l’insert et emmanchées sur l’insert.
La ou les feuilles filtrantes peuvent être solidarisées à l’insert par soudure par points, par brasure et/ou par le biais d’au moins une ligature autour de l’insert et de la ou des feuilles filtrantes, par exemple un ou des fils métalliques enroulés autour de ceux-ci.
En outre, le réacteur peut comporter au moins un compartiment au niveau de chacune desdites au moins une ouverture collectrice et une ouverture distributrice, ledit au moins un élément filtrant étant au moins en partie logé à l’intérieur dudit au moins un compartiment et de ladite au moins une ouverture collectrice et ladite au moins une ouverture distributrice.
Un élément filtrant peut avantageusement être introduit à l’intérieur de chaque compartiment, au contact de la ou des parois internes du compartiment.
Chaque compartiment peut comporter une ou plusieurs ouvertures permettant la circulation des gaz.
De plus, un ou plusieurs compartiments peuvent être formés par le biais d’une modification locale, au niveau d’une ou plusieurs ouvertures collectrice et distributrice, de la deuxième paroi de l’insert.
Un ou plusieurs compartiments peuvent être formés par le biais d’une membrane découpée placée dans une ou plusieurs ouvertures collectrice et distributrice.
En outre, ledit au moins un élément filtrant peut venir au contact du tube creux de sorte à permettre un centrage de l’insert par rapport au tube creux.
Par ailleurs, le ou les compartiments et l’insert peuvent former une pièce monobloc.
L’au moins une chambre de distribution peut être obturée au niveau de la deuxième extrémité, et l’au moins une chambre de collecte peut être obturée au niveau de la première extrémité.
Le réacteur peut comprendre au niveau de la première extrémité et au niveau de la deuxième extrémité, respectivement, un espace distributeur et un espace collecteur entre lesquels l’insert est disposé.
La poudre catalytique peut être retenue dans l’espace annulaire par un joint en matière fibreuse au niveau de chacune des extrémités de l’espace annulaire.
Le joint en matière fibreuse peut être maintenu en compression contre la poudre catalytique par un ressort, le ressort étant en butée contre une plaque de maintien liée mécaniquement au tube.
Le joint en matière fibreuse en combinaison avec le ou les ressorts permet de mieux compacter la poudre catalytique et de prévenir l’attrition de cette dernière lors de la manipulation ou le transport du réacteur.
La paroi externe peut être dépourvue d’ouverture sur une première section et une deuxième section qui s’étendent à partir, respectivement, de la première extrémité et de la deuxième extrémité, la première section et la deuxième section étant en recouvrement avec le lit de poudre sur une hauteur H, la hauteur H étant comprise entre 0,5 fois et 10 fois, avantageusement comprise entre 1 fois et 2 fois, la distance séparant une ouverture de distribution d’une ouverture de collecte immédiatement adjacente, et mesurée le long de la surface externe de la paroi externe.
Ainsi, un tel agencement permet d’imposer un temps de passage aux gaz réactifs susceptibles de pénétrer dans l’espace annulaire par le joint fibreux.
L’insert creux peut être muni de moyens de centrage maintenant ce dernier en position coaxiale avec le tube creux, de manière avantageuse, les moyens de centrage comprennent des bossages formés sur la deuxième paroi.
Ces moyens de centrage permettent un montage plus facile du réacteur.
La surface d’une section de la chambre de distribution selon un plan de coupe transversal à l’axe longitudinal peut diminuer de la première extrémité vers la deuxième extrémité, avantageusement, ladite surface est nulle au niveau de la deuxième extrémité.
Les méthodes de fabrication additive, et notamment les techniques de fabrication 3D permettent de réaliser ces structures complexes sous forme d’une pièce monobloc.
La surface d’une section de la chambre de collecte selon un plan de coupe transversal à l’axe longitudinal peut augmenter de la première extrémité vers la deuxième extrémité, avantageusement, ladite surface est nulle au niveau de la première extrémité.
L’ouverture de collecte et l’ouverture de distribution peuvent présenter une largeur comprise entre 1/100 et 1/2, avantageusement comprise entre 1/20 et 1/4, du diamètre du tube creux.
L’insert creux peut former une pièce monobloc.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu’à l’examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel :
est une représentation schématique d’un réacteur tubulaire à lit fixe selon une première variante de la présente invention, en particulier représente le réacteur selon un plan de coupe longitudinale passant par un axe longitudinal XX’ du réacteur ;
est une représentation schématique du réacteur de selon un plan de coupe transversal perpendiculaire à l’axe longitudinal ;
est une représentation d’un élément filtrant, et notamment d’un filtre formé de quatre plans de fibres, susceptible d’être mis en œuvre dans le réacteur tubulaire selon la présente invention ;
,
et
sont des représentations en coupe transversale partielle d’inserts équipés d’éléments filtrant conformes à l’invention,
est une représentation en coupe transversale partielle d’un autre exemple d’insert équipé d’un compartiment avec élément filtrant conforme à l’invention,
et
sont des représentations en coupe transversale partielle, respectivement avant et après découpe d’une membrane, permettant d’illustrer l’obtention d’un autre exemple de compartiment avec élément filtrant conforme à l’invention,
et
sont des représentations en coupe transversale partielle d’autres réalisations de compartiments avec éléments filtrant conformes à l’invention positionnés au contact du tube creux,
est une représentation d’un réacteur tubulaire à lit fixe selon la première variante de la présente invention au niveau de la première extrémité illustrant l’agencement du joint et du ressort retenant le lit de poudre catalytique ;
est une représentation schématique de l’insert creux selon le plan de coupe AA’ de ;
est une représentation schématique d’un insert selon une deuxième variante de la présente invention, en particulier représente le réacteur selon un plan de coupe longitudinale passant par un axe longitudinal XX’ du réacteur ;
,
,
,
et
sont des vues, respectivement, selon les plans de coupe A, B, C, D et E de l’insert creux représenté à ;
est une représentation schématique d’un insert selon une troisième variante de la présente invention, en particulier représente le réacteur selon un plan de coupe longitudinale passant par un axe longitudinal XX’ du réacteur ; et
et
sont des vues, respectivement, selon les plans de coupe CC’ et DD’ de l’insert creux représenté à .
Dans l’ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.

Claims (12)

  1. Réacteur tubulaire (1) à lit fixe qui s’étend, selon un axe longitudinal (XX’), entre une première extrémité (11) et une deuxième extrémité (12),
    le réacteur (1) comprenant un lit de poudre catalytique confiné dans un espace annulaire (30) délimité par une première paroi d’un tube creux (10) et une deuxième paroi (21) d’un insert creux (20), disposé dans le tube creux (10) et de manière coaxiale à ce dernier,
    l’insert creux (20) comprenant au moins une chambre de distribution (40) et au moins une chambre de collecte (50), séparées l’une de l’autre par une paroi séparatrice (60), et comprenant, respectivement, une ouverture d’admission (41) de gaz au niveau de la première extrémité (11) et une ouverture d’évacuation (51) de gaz au niveau de la deuxième extrémité (12),
    la deuxième paroi (21) comprenant au moins une ouverture distributrice (42) et au moins une ouverture collectrice (52), qui s’étendent sur une longueur (L), l’ouverture distributrice (42) permettant la distribution d’un gaz susceptible d’être admis par l’ouverture d’admission (41) de la chambre de distribution (40) vers l’espace annulaire (30), et l’ouverture collectrice (52) permettant la collecte du gaz distribué dans l’espace annulaire (30) par la chambre de collecte (50),
    caractérisé en ce que le réacteur (1) comporte au moins un élément filtrant (61) positionné au niveau de ladite au moins une ouverture collectrice (52) entre ladite au moins une chambre de collecte (50) et l’espace annulaire (30), ainsi qu’au niveau de ladite au moins une ouverture distributrice (42) entre ladite au moins une chambre de distribution (40) et l’espace annulaire (30), ledit au moins un élément filtrant (61) prévenant le passage de poudre catalytique depuis l’espace annulaire (30) respectivement vers ladite au moins une chambre de collecte (50) et ladite au moins une chambre de distribution (40),
    ledit au moins un élément filtrant (61) étant en appui contre la surface externe de la deuxième paroi (21) et recouvrant totalement ladite au moins une ouverture collectrice (52) et ladite au moins une ouverture distributrice (42) et/ou étant logé au moins partiellement à l’intérieur de ladite au moins une ouverture collectrice (52) et ladite au moins une ouverture distributrice (42).
  2. Réacteur selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un élément filtrant (61) se présente au moins en partie sous la forme d’une ou plusieurs feuilles filtrantes (61) positionnées contre la surface externe de la deuxième paroi (21) de l’insert creux (20) et recouvrant totalement ladite au moins une ouverture collectrice (52) et ladite au moins une ouverture distributrice (42) par appui sur la surface externe de la deuxième paroi (21) de part et d’autre de celles-ci.
  3. Réacteur selon la revendication 2, dans lequel la ou les feuilles filtrantes (61) comportent un tissu, un feutre, par exemple en fibres de verre, fibres métalliques, fibres de carbone, une grille métallique et/ou une tôle métallique microperforée.
  4. Réacteur selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la ou les feuilles filtrantes (61) se présentent sous une forme au moins en partie cylindrique, notamment sous la forme d’une ou plusieurs portions de forme cylindrique, épousant la forme cylindrique de la surface externe de la deuxième paroi (21) de l’insert (20) et emmanchées sur l’insert (20).
  5. Réacteur selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel la ou les feuilles filtrantes (61) sont solidarisées à l’insert (20) par soudure par points, par brasure et/ou par le biais d’au moins une ligature autour de l’insert (20) et de la ou des feuilles filtrantes (61), par exemple un ou des fils métalliques enroulés autour de ceux-ci.
  6. Réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réacteur (1) comporte au moins un compartiment (80) au niveau de chacune desdites au moins une ouverture collectrice (52) et une ouverture distributrice (42), ledit au moins un élément filtrant (61) étant au moins en partie logé à l’intérieur dudit au moins un compartiment (80) et de ladite au moins une ouverture collectrice (52) et ladite au moins une ouverture distributrice (42).
  7. Réacteur selon la revendication 6, dans lequel un élément filtrant (61) est introduit à l’intérieur de chaque compartiment (80), au contact de la ou des parois internes du compartiment (80).
  8. Réacteur selon la revendication 6 ou 7, dans lequel chaque compartiment (80) comporte une ou plusieurs ouvertures (81) permettant la circulation des gaz.
  9. Réacteur selon l’une des revendications 6 à 8, dans lequel un ou plusieurs compartiments (80) sont formés par le biais d’une modification locale, au niveau d’une ou plusieurs ouvertures collectrice (52) et distributrice (42), de la deuxième paroi (21) de l’insert (20).
  10. Réacteur selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel un ou plusieurs compartiments (80) sont formés par le biais d’une membrane découpée (82) placée dans une ou plusieurs ouvertures collectrice (52) et distributrice (42).
  11. Réacteur selon l’une quelconque des revendications 6 à 10, dans lequel ledit au moins un élément filtrant (61) vient au contact du tube creux (10) de sorte à permettre un centrage de l’insert (20) par rapport au tube creux (10).
  12. Réacteur selon l’une quelconque des revendications 6 à 11, dans lequel le ou les compartiments (80) et l’insert (20) forment une pièce monobloc.
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