WO2016050409A1 - Dispositif compact de mélange de fluides - Google Patents

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WO2016050409A1
WO2016050409A1 PCT/EP2015/068766 EP2015068766W WO2016050409A1 WO 2016050409 A1 WO2016050409 A1 WO 2016050409A1 EP 2015068766 W EP2015068766 W EP 2015068766W WO 2016050409 A1 WO2016050409 A1 WO 2016050409A1
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mixing
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fluids
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PCT/EP2015/068766
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Philippe BEARD
Frederic Bazer-Bachi
Cecile Plais
Frederic Augier
Yacine HAROUN
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IFP Energies Nouvelles
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Definitions

  • the present invention applies in the field of exothermic reactions and more particularly to hydrotreatment, hydrodesulfurization, hydrodenitrogenation, hydrocracking, hydrogenation or hydrodearomatization reactions carried out in a reactor.
  • the invention also relates to a device for mixing fluids in a downflow reactor and its use for carrying out exothermic reactions.
  • the exothermic reactions carried out in refining and / or in petrochemistry need to be cooled by an additional fluid to prevent thermal runaway of the catalytic reactor in which they are carried out.
  • the catalytic reactors used for these reactions generally comprise at least one solid catalyst bed.
  • the exothermic nature of the reactions requires keeping a homogeneous temperature gradient within the reactor in order to avoid the existence of hot spots in the catalyst bed included in the reactor. These hot spots can prematurely decrease the activity of the catalyst. They also lead to non-selective reactions. It is therefore important to have at least one mixing chamber in a reactor, located between two catalyst beds, which allows a uniform temperature distribution of the fluids and a cooling of the reaction fluids to a desired temperature.
  • the document FR 2 824 495 A1 describes a quenching device for ensuring an effective exchange between the quench fluid (s) and the fluid (s) of the process.
  • This device is integrated in an enclosure and comprises a quenching fluid injection pipe, a fluid collection baffle, the quench box itself, operating the mixing between the quenching fluid and the downflow, and a system dispensing system consisting of a perforated bowl and a distributor tray.
  • the quenching box comprises a deflector ensuring the swirling motion of the fluids in a substantially non-radial direction and not parallel to the axis of said chamber and downstream of the deflector, in the direction of circulation of the reaction fluid, at least one section outlet passage of the fluid mixture formed in the box.
  • This device makes it possible to overcome certain disadvantages of the various systems of the prior art but remains very cumbersome.
  • a device for mixing fluids in a downflow reactor has been developed, and is described in document FR 2 952 835 A1.
  • This device comprises a horizontal collection means provided with a vertical collection line for receiving the fluids, an injection means placed in the collection line, and an annular mixing chamber of circular section located downstream of the collection means in the flow direction of the fluids.
  • the mixing chamber includes an inlet end connected to the collection conduit and an outlet end for fluid passage, and a horizontal pre-distribution tray including at least one chimney.
  • the present invention therefore aims to overcome one or more of the disadvantages of the prior art by providing a fluid mixing device for a simple catalytic reactor design and manufacture. Another object of the invention is to provide a compact device when placed in a catalytic reactor. Finally, another object of the present invention is to provide a mixing device having a good mixing efficiency of fluids and having good temperature homogeneity.
  • a first subject of the invention relates to a device for mixing fluids for a downflow catalytic reactor, said device comprising:
  • At least one substantially horizontal collection means provided with a substantially vertical collection line for receiving the fluids collected by said collection means
  • a mixing chamber located downstream of the collection means in the fluid flow direction, said chamber comprising an inlet end directly connected to said collection pipe and an outlet end for discharging the fluids; and a pre-dispensing tray having a plurality of perforations and including at least one stack, said tray being located downstream of said mixing chamber in the direction of flow of the fluids;
  • said mixing chamber is of parallelogram section and in that it comprises at least one deflecting means on at least one of the four inner walls of said parallelogram section mixing chamber.
  • the parallelogram section of said mixing chamber is rectangular.
  • the ratio between the height "h" of the parallelogram section (or rectangle) and the width "I" of said section is between 0.2 and 1, 0.
  • the deflection means occupies at most 5% by volume of the total volume of the mixing chamber, and at most 20% by surface of the total surface of the section of the mixing chamber.
  • said mixing chamber comprises at least one deflection means on the lateral inner wall of greater length.
  • said deflection means is in any form allowing the deviation at least in part of the path of the fluid mixture passing through said mixing chamber.
  • the device comprises a plurality of deflection means distributed over one or more horizontal levels of said longer side wall.
  • said deflection means are spaced regularly or irregularly on said side wall of greater length of the mixing chamber.
  • said deflection means is a deflection element chosen from: a baffle, a fin, an insert, a blade.
  • the pre-distribution plate is located downstream of the mixing chamber at a distance d2, in the direction of fluid flow, the distance d2 being between 0 and 100 mm.
  • the length of the mixing chamber is between 90 and 270 degrees.
  • Another subject of the invention relates to a downflow catalytic reactor comprising an enclosure containing at least two catalyst beds separated by an intermediate zone comprising a device for mixing fluids according to the invention.
  • the outlet end of the mixing chamber of said mixing device is positioned in the radial direction of the enclosure of said catalytic reactor.
  • the mixing chamber of said device is positioned at the periphery of the enclosure of said catalytic reactor.
  • said mixing chamber of said mixing device is positioned at a distance d1 from the enclosure of the reactor, the distance d1 being between 0.5% and 25% of the diameter of the reactor.
  • Yet another subject of the invention relates to a process for carrying out an exothermic reaction in a reactor according to the invention in which at least one reaction fluid is circulated from at least two beds downwards from said reactor to at least two beds. of catalyst, and wherein a quenching fluid is injected into said mixing device.
  • a final subject of the invention relates to the use of a reactor according to the invention for carrying out exothermic reactions, such as hydrotreatment, hydrodesulfurization, hydrodenitrogenation, hydrocracking, hydrogenation or still hydrodearomatization.
  • FIG. 1 represents an axial section of a downflow catalytic reactor comprising at least two solid catalyst beds, and comprising the compact mixing device according to the invention.
  • the arrow in bold represents the flow direction of the fluids in the reactor.
  • FIG. 2 represents a section of the compact mixing device according to the section represented by the dotted line A-A in FIG.
  • Figure 3 is a perspective view of the mixing device according to the invention.
  • FIGS. 4a, 4b, 4c illustrate several cross-sectional views of the mixing chamber comprising a fluid mixture deflection means in a plane transverse to the mixing chamber and passing through the dotted line B-B as represented in FIG.
  • the compact mixing device is used in a reactor in which exothermic reactions such as hydrotreatment, hydrodesulphurization, hydrodenitrogenation, hydrocracking, hydrogenation or hydrogenation reactions take place. hydrodearomatization.
  • the reactor has an elongate shape along a substantially vertical axis. From the top to the bottom of said reactor is circulated at least one reaction fluid (also called process fluid according to the English terminology) through at least one catalyst bed. At the outlet of each bed except the last, the reaction fluid is collected and is then mixed with a quenching fluid (also known as quench according to the English terminology) in a compact device for mixing fluids before being distributed to the catalyst bed located downstream of the distribution plate. The downstream and the upstream are defined with respect to the flow direction of the reaction fluid.
  • the reaction fluid may be a gas or a liquid or a mixture containing liquid or gas; this depends on the type of reaction carried out in the reactor.
  • the mixing device according to the invention is disposed in a reactor 1 of elongated shape along a substantially vertical axis in which at least one reaction fluid is circulated from above downwards through at least one catalyst bed 2.
  • the mixing device according to the invention is disposed under the catalyst bed 2, with respect to the flow of the reaction fluid in the chamber 1.
  • a support grid 3 supports the catalyst bed 2 so as to clear a collection space 4 below it.
  • the collection space 4 is necessary to allow the drainage of the reaction fluid to a collection line 7 (described hereinafter).
  • the flowing reaction fluid is for example composed of a gas phase and a liquid phase.
  • the reaction fluid passing through the catalyst bed 2 upstream is collected by a collection means 5 (also called here collection baffle) substantially horizontal provided with a substantially vertical collection line 7 (see Figure 1).
  • substantially vertical (e) and by substantially horizontal (e) is meant in the sense of the present invention a variation of a plane with the vertical, respectively the horizon, an angle of between ⁇ 5 degrees.
  • the collecting means 5 consists of a solid plate disposed in the plane perpendicular to the longitudinal axis of the chamber under the support grid 3 of the catalyst bed 2.
  • the plate of the collecting means 5 extends radially on the the entire surface of the reactor 1. It comprises at its end an opening 6 to which is connected said collection pipe 7.
  • the collection means 5 collects the flow of the reaction fluid from the catalytic bed 2 upstream and direct it to said collection line 7.
  • the collection means 5 is remote from the support grid 3 of the catalyst bed 2 by a height H1.
  • the height H1 must be chosen so as to limit the pressure drop during the collection of the fluid flowing from the catalyst bed 2 and to limit the guard height, ie the height formed by the liquid accumulated in the collection means 5
  • the guard height must not modify the drainage of the reaction fluid towards the collection pipe 7, or its flow in this pipe.
  • the height H1 is between 30 and 200 mm, preferably between 30 and 150 mm, even more preferably between 40 and 100 mm. According to one embodiment of the invention, the height H1 is equal to 100 mm.
  • the quenching fluid is injected into the collection line 7 via an injection means 8, for example an injection line 8.
  • the quenching fluid may be liquid or gaseous or a mixture containing liquid or gas .
  • the quenching fluid may be hydrogen.
  • the injection of the quenching fluid is carried out perpendicularly to the direction of flow of the reaction fluid in the collection line 7.
  • the injection means 8 used is well known to those skilled in the art. It can be a lateral tapping, or a nozzle or spider, or a nozzle ramp, etc.
  • the injection means 8 is located at any position and height in the collection line 7 from the opening 6.
  • the injection means 8 is located at the connection of the collection line 7 and the inlet end of the mixing chamber 9.
  • the vertical collection line 7 opens into the mixing chamber 9 at the inlet end of said chamber. This conduit directs the flow of reaction fluid and quench fluid into said chamber.
  • the diameter of the vertical pipe 7 is chosen so as to limit the pressure drops. It will therefore be chosen so as to limit the flow rate, in said collection line, of (or) reaction fluid (s) coming (s) from the catalyst bed located upstream of the collection means. Preferably the speed of said fluids will be between 2 and 5 m. s "1.
  • the mixing chamber 9 is connected at its inlet end to the collecting pipe 7.
  • the quench fluid and the flow of the reaction fluid from the upper bed 2 are thus forced to borrow said mixing chamber 9 in which they mix and have a rotary flow.
  • the mixture of fluids flows on the pre-distribution plate 11.
  • the mixing chamber 9 is placed on the periphery of the reactor 1 at above the pre-distribution plate 11 which is in the form of a perforated plate This position makes it possible to save space in the reactor Mixing of the fluids continues to be done by rotating the fluids on the perforated plate
  • the gas and / or liquid phases of the mixture are separated on the perforated plate, which is provided with one or more central chimneys 13 allowing the passage of the gas.
  • the pre-distribution plate 11 extends radially over the entire surface of the reactor and is disposed in the plane perpendicular to the longitudinal axis of the enclosure. It allows a first separation of the mixture; the liquid flows through the perforations of the pre-distribution plate 11 and the gas flows through said chimneys 13, to feed a distributor tray 12.
  • the number and the The size of the perforations of the perforated plate 11 are chosen so that a certain height of liquid is always present on the plate.
  • the distributor plate 12 optimizes the distribution of the cooled reaction fluid on the catalytic bed 14 located downstream of said distributor plate. Distribution trays are well known to those skilled in the art. Such distribution trays are described in particular in patent application WO-A-2003/039733.
  • the mixing chamber 9 allows the reaction fluid to be mixed with the quenching fluid.
  • the mixing chamber 9 has a substantially toroidal shape and is of parallelogram section (rectangular in the frame of Figure 1).
  • parallelogram section is meant any four-sided section whose opposite sides of said section are parallel in pairs, for example the parallelogram section may be a rectangular section, a square section, or a rhombic section. It therefore comprises two ends: a so-called input end and a so-called output end 10, opposite to the input end.
  • the inlet end is connected to the collection line 7 and the outlet end 10 is open and allows the fluid mixture to flow on the pre-dispensing tray 11.
  • the length of the mixing chamber 9 is defined by the angle formed by the planes passing through the two ends of said chamber.
  • the length of said chamber is between 90 and 270 degrees.
  • the length of said chamber is between 100 and 200 degrees, more preferably between 100 and 250 degrees, even more preferably 100 and 180 degrees, and even more preferably between 120 and 180 degrees.
  • the dimensions of the parallelogram section of the mixing chamber, of height "h” and width “I” are such that the ratio between the height "h” and the width “I” is between 0.2 and 1 , 0, preferably between 0.4 and 0.6.
  • the height "h” of the mixing chamber is chosen so as to minimize the pressure drop and so as to limit the space requirement in the reactor.
  • the pressure drop of the mixing device according to the invention depends on the height "h” and the width of the width "I” of the mixing chamber. This pressure drop follows a conventional law of loss of load and can be defined by the following equation:
  • the height "h" and the width "I" of the section of the mixing chamber 9 is the smallest possible to limit the size of the mixing chamber on the plate predistribution and having the greatest mixing efficiency at the outlet of said mixing chamber. For these reasons, it is preferred to use the smallest height "h" possible to meet a possible criterion of maximum pressure drop.
  • the outlet 10 of the mixing chamber 9 has a height "h” and / or a width " ⁇ " lower than the height "h” and / or the width "I” the section of the mixing chamber 9 (out of outlet) to further improve the homogeneity of the mixture.
  • the ratio h '/ h and / or 171 is between 0.5 and 1, preferably between 0.7 and 1.
  • the fluids have a rotational movement (or swirling according to English terminology) in the mixing chamber 9. This movement promotes the mixing and temperature homogeneity of the reaction fluids and the quenching fluid.
  • the mixing chamber 9 comprises at least one deflection means 15 of the fluid mixture passing through said mixing chamber 9.
  • Said deflection means 15 may take a number of forms geometrically effective to improve the efficiency of the mixing chamber, it being understood that said forms allow a deviation at least in part of the path of the fluid mixture passing through said chamber.
  • the deflection means 15 may be in the form of a baffle, triangular section (Figure 4a), square ( Figure 4c), rectangular, ovoid or any other sectional shape.
  • the deflection means 15 may also be in the form of one or more fins (Figure 4b) or one or more fixed blades (s).
  • Said deflection means 15 of the fluid mixture passing through said mixing chamber 9 is located on at least one of the four inner walls of said parallelogram section mixing chamber.
  • the deflection means 15 of the fluid mixture passing through said chamber is at least, and preferably exclusively, on the lateral inner wall 16 of the mixing chamber 9 closest to the internal wall of the reactor 1 (ie the wall side of the mixing chamber of greater length).
  • the deflection means 15 is in the form of a fin, said deflection means 15 can be oriented perpendicular to the side walls of said mixing chamber 9.
  • said deflection means 15 can be oriented according to an angle alpha between -90 ° and + 90 °, the values -90 ° and + 90 ° being excluded, preferably between -60 ° and + 60 ° with respect to the plane perpendicular to the side walls of the mixing chamber 9.
  • the deflection means 15 may be spaced regularly or not in the mixing chamber 9.
  • the deflection means 15 may be located on several horizontal levels on the side wall 16 of the mixing chamber 9.
  • the mixing chamber 9 comprises at least one deflection means 15 of the fluid mixture passing through said mixing chamber, preferably at least two deflection means.
  • said at least one deflection means 15 of the fluid mixture preferably occupies at most 20% at the surface of the section of the mixing chamber 9, and preferably at most 15% at the surface.
  • the volume occupied by the at least one fluid mixture deflecting means preferably occupies not more than 5% by volume of the total volume of the mixing chamber, preferably not more than 3% by volume. Indeed, the compromise between the surface and the volume of occupation of the deflection means 15 in the mixing chamber makes it possible to limit the pressure drop.
  • the mixing chamber 9 is positioned at the periphery of the chamber of the reactor 1 and upstream of the pre-distribution plate 11 in the fluid flow direction. This positioning of said chamber makes it possible to maximize its length and to obtain a saving of space in the reactor.
  • the mixing chamber having a curved shape, it runs along the enclosure of the reactor at a distance d1 ( Figure 2).
  • the distance d1 will be between 0.5% and 25% of the reactor diameter, preferably between 0.5% and 10% of the diameter. the reactor, even more preferably between 1% and 5% of the reactor diameter.
  • the mixing chamber 9 is in direct contact with the pre-distribution plate 11. In this configuration, the mixing chamber is placed directly on the predistribution plate. In another embodiment, said chamber is at a distance d2 from the pre-distribution plate 11. In this case, said chamber 9 will be fixed on the pre-distribution plate 11 by fastening means well known to those skilled in the art such as hollow feet. These feet will be positioned in the direction of the flow of the mixture.
  • the distance d2 varies between 0 and 100 mm, more preferably between 0.25 and 100 mm, more preferably between 0.25 and 50 mm, more preferably between 0.5 and 30 mm.
  • the positioning of the mixing chamber 9 at the periphery of the reactor and upstream of the pre-distribution plate 11 also allows a tangential flow of the fluid mixture above or on the predistribution plate, according to the embodiment of the invention.
  • This tangential flow above said pre-distribution plate optimizes the efficiency of mixing. Indeed, the mixture between the reaction fluid and the quenching fluid continues to be effected at the pre-distribution plate. A homogeneous mixture of temperature and concentration of the fluids is obtained on the pre-distribution plate 11.
  • the compact device according to the invention has the following advantages:
  • the terms “torus” or “mixing chamber” are used interchangeably to designate the parallelogram section mixing chamber according to the invention.
  • the mixing chambers of the examples below include a rectangular section, which does not limit the invention, wherein the device comprises a mixing chamber with parallelogram section.
  • the mixing device according to the invention (Device C) is compared with two mixing devices not according to the invention (Devices A and B).
  • the comparisons between these three devices are based on the compactness of the devices in a catalytic reactor, as well as their mixing efficiency.
  • Device A not according to the invention (mixing chamber with circular section without means of deflection of the mixture of fluids).
  • Device B not according to the invention (mixing chamber with rectangular section without means of deflection of the mixture of fluids)
  • Device C according to the invention (mixing chamber with rectangular section comprising a plurality of deflection means in the form of baffles).
  • the dimensions of the reactors and the constituent elements are identical, except as regards the shape and / or the dimensions of the mixing chamber, as well as the presence of fluid mixture deflection means. or not.
  • the three devices are based on a reaction chamber diameter of 4 m.
  • the density of the liquid phase is 800 kg. m "3, and that of the gas is 20 kg. m" 3.
  • the flow rates of liquid and gas leaving the first catalytic bed are respectively 0.1 and 0.63 m 3 . s "1.
  • the quench fluid flow injected in the conduct of vertical collection via an injection means is 0.63 m 3 .s" 1.
  • the height of the collection space (H1) is 0.2 m so as to generate a negligible pressure drop in this zone.
  • the vertical collection pipe has a diameter of 0.48 m.
  • the injection means of the quenching fluid has a diameter of 0.15 m.
  • the linear length of the mixing chamber is 3.1 m.
  • the space between the reactor chamber and the annular mixing chamber (d1) is 0.36 m for the device A.
  • Four central chimneys are arranged in a square pitch in the middle of the perforated plate of the pre-distribution plate. These chimneys have a diameter of 0.3 m and a height of 0.25 m.
  • the pre-distribution plate is perforated by holes 1 cm in diameter in a triangular perforation pitch of 6.4 cm. Under the perforated plate is positioned a distributor tray with chimneys. The distance between the pre-dispensed perforated plate and the distributor plate is 0.25 m.
  • Example 1 Compactness of the mixing device according to the invention
  • the diameter of the annular mixing chamber of circular section is 0.35 m.
  • the bulk of the mixing device not according to the invention, delimited by the support grid of the catalyst bed and by the predistribution plate is about 0.5 m. It is about 0.75 m if we add the bulk of the distribution tray located below the pre-distribution plate.
  • the mixing chamber of the device according to the invention comprises a rectangular section whose ratio width / height is chosen equal to 2.
  • the section has a height of 220 mm.
  • the gain in size, with respect to the annular chamber of circular section of the mixing device A (not according to the invention) is 130 mm.
  • the mixing device according to the invention allows a space saving of 17% compared to the device A.
  • the space gained by the compactness of the device according to the invention compared to the device of the Prior art can thus be used for catalyst beds.
  • the compact mixing device according to the invention also makes it possible to improve the performance of a reactor by increasing the amount of catalyst in the catalytic beds.
  • the device C further comprises deflection means 15 in the form of baffles, ie flat plates arranged at the base of the wall 16.
  • deflection means 15 in the form of baffles, ie flat plates arranged at the base of the wall 16.
  • baffles ie flat plates arranged at the base of the wall 16.
  • two baffles are considered, one located in the first half of the mixing chamber and the other in the second half of the mixing chamber.
  • the device B (not according to the invention) rectangular section has the same characteristics in terms of compactness as the device C according to the invention. This device does not include deflection means 15.
  • EXAMPLE 2 Analysis of the Fluid Flow at the Mixing Chamber
  • the flow of two fluids in the mixing chambers of the devices A, B and C is simulated using fluid mechanics software (Fluent 14.5, developed by ANSYS Inc., Canonburg, USA).
  • the numerical simulations focused on the analysis of mixing phenomena in the mixing chamber and at the outlet of said chamber.
  • the fluids are fed at two clearly distinct temperatures T1 (for the process fluid) and T2 (for hydrogen) at the inlet of the mixing device. More precisely, the temperature T1 corresponds to the temperature of the process fluid measured at the opening 6 and the temperature T2 corresponds to the temperature of the hydrogen measured at the outlet of the injection means 8.
  • the temperature distribution calculated at the output of the torus by the simulation software is used to estimate the mixing efficiency of the mixing chamber. This efficiency is defined by the following relation:
  • ⁇ is the mixing efficiency, is the maximum temperature of the output liquid, T Ga z, MiN is the minimum temperature of the output gas and ⁇ M AX is the maximum difference between the inlet temperatures, ie the absolute value of (T2-T1).
  • the mixing efficiency (according to equation 2) generated at the outlet of said mixing chamber 9 is greater than 97% in the context of the device according to the invention (Device C). This means that a very good mixture of fluids is obtained in the chamber according to the invention and excellent homogenization of the fluids in temperature.

Abstract

Dispositif de mélange de fluides pour un réacteur catalytique (1) à écoulement descendant, ledit dispositif comprenant : - au moins un moyen de collecte (5) sensiblement horizontal pourvu d'une conduite de collecte (7) sensiblement verticale pour recevoir les fluides collectés par ledit moyen de collecte (5); - au moins un moyen d'injection (8) d'un fluide de trempe débouchant dans ladite conduite de collecte (7); - une chambre de mélange (9) située en aval du moyen de collecte (5) dans le sens de circulation des fluides, ladite chambre comprenant une extrémité d'entrée directement reliée à ladite conduite de collecte (7) et une extrémité de sortie (10) pour évacuer les fluides; et - un plateau de pré-distribution (11) comportant une pluralité de perforation et comprenant au moins une cheminée (13), ledit plateau étant situé en aval de ladite chambre de mélange (9) dans le sens de circulation des fluides; caractérisé en ce que ladite chambre de mélange (9) est de section en parallélogramme et en ce qu'elle comprend au moins un moyen de déviation (15) sur au moins une des quatre parois internes de ladite chambre de mélange (9) de section en parallélogramme.

Description

DISPOSITIF COMPACT DE MÉLANGE DE FLUIDES
Domaine de l'invention
La présente invention s'applique dans le domaine des réactions exothermiques et plus particulièrement aux réactions d'hydrotraitement, d'hydrodésulfuration, d'hydrodéazotation, d'hydrocraquage, d'hydrogénation ou encore d'hydrodéaromatisation réalisées dans un réacteur. L'invention concerne également un dispositif de mélange de fluides dans un réacteur à écoulement descendant et son utilisation pour la réalisation de réactions exothermiques. Etat de la technique
Les réactions exothermiques réalisées en raffinage et/ou en pétrochimie nécessitent d'être refroidies par un fluide additionnel pour éviter un emballement thermique du réacteur catalytique dans lequel elles sont effectuées. Les réacteurs catalytiques utilisés pour ces réactions comprennent généralement au moins un lit de catalyseur solide. Le caractère exothermique des réactions nécessitent de conserver un gradient de température homogène au sein du réacteur afin d'éviter l'existence de points chauds dans le lit de catalyseur compris dans le réacteur. Ces points chauds peuvent diminuer prématurément l'activité du catalyseur. Ils conduisent également à des réactions non sélectives. Il est donc important de disposer d'au moins une chambre de mélange dans un réacteur, située entre deux lits de catalyseur, qui permette une répartition homogène en température des fluides et un refroidissement des fluides réactionnels à une température désirée.
Pour effectuer cette homogénéisation l'homme de l'art est souvent conduit à utiliser un agencement spécifique d'internes souvent complexes comportant une introduction du fluide de trempe la plus homogène possible dans la section du réacteur. Par exemple, le document FR 2 824 495 A1 décrit un dispositif de trempe permettant d'assurer un échange efficace entre le ou les fluide(s) de trempe et le ou les fluide(s) du procédé. Ce dispositif est intégré dans une enceinte et comprend une canne d'injection du fluide de trempe, un baffle de collecte des fluides, la boite de trempe proprement dite, opérant le mélange entre le fluide de trempe et l'écoulement descendant, et un système de distribution composé d'une cuvette perforée et d'un plateau distributeur. La boîte de trempe comporte un déflecteur assurant la mise en mouvement tourbillonnaire des fluides selon une direction sensiblement non radiale et non parallèle à l'axe de ladite enceinte et en aval du déflecteur, dans le sens de circulation du fluide réactionnel, au moins une section de passage de sortie du mélange de fluides formé dans la boîte. Ce dispositif permet de pallier certains inconvénients des différents systèmes de l'art antérieur mais reste très encombrant. Pour remédier au problème d'encombrement, un dispositif de mélange de fluides dans un réacteur à écoulement descendant a été développé, et est décrit dans le document FR 2 952 835 A1 . Ce dispositif comprend un moyen de collecte horizontal pourvu d'une conduite de collecte verticale pour recevoir les fluides, un moyen d'injection placé dans la conduite de collecte, et une chambre de mélange annulaire de section circulaire située en aval du moyen de collecte dans le sens de circulation des fluides. La chambre de mélange comprend une extrémité d'entrée reliée à la conduite de collecte et une extrémité de sortie permettant le passage des fluides, ainsi qu'un plateau de pré-distribution horizontal comprenant au moins une cheminée. L'avantage de ce dispositif est qu'il est plus compact que celui décrit précédemment, et permet d'assurer un bon mélange des fluides et une bonne homogénéité en température. Cependant, bien que présentant des caractéristiques techniques très avantageuses, la forme de la chambre annulaire peut présenter des difficultés de conception et de fabrication, et cela notamment lorsque le diamètre de la chambre de mélange est important, ce qui entraîne des coûts élevés en terme de fabrication.
La présente invention a donc pour objet de pallier un ou plusieurs des inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif de mélange de fluides pour un réacteur catalytique simple de conception et de fabrication. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif peu encombrant lorsqu'il est placé dans un réacteur catalytique. Enfin, un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif de mélange ayant une bonne efficacité de mélange de fluides et présentant une bonne homogénéité en température.
Objets de l'invention
Un premier objet de l'invention concerne un dispositif de mélange de fluides pour un réacteur catalytique à écoulement descendant, ledit dispositif comprenant :
au moins un moyen de collecte sensiblement horizontal pourvu d'une conduite de collecte sensiblement verticale pour recevoir les fluides collectés par ledit moyen de collecte ;
au moins un moyen d'injection d'un fluide de trempe débouchant dans ladite conduite de collecte ;
une chambre de mélange située en aval du moyen de collecte dans le sens de circulation des fluides, ladite chambre comprenant une extrémité d'entrée directement reliée à ladite conduite de collecte et une extrémité de sortie pour évacuer les fluides ; et un plateau de pré-distribution comportant une pluralité de perforation et comprenant au moins une cheminée, ledit plateau étant situé en aval de ladite chambre de mélange dans le sens de circulation des fluides ;
caractérisé en ce que ladite chambre de mélange est de section en parallélogramme et en ce qu'elle comprend au moins un moyen de déviation sur au moins une des quatre parois internes de ladite chambre de mélange de section en parallélogramme.
Selon un mode de réalisation particulier du dispositif selon l'invention, la section en parallélogramme de ladite chambre de mélange est rectangulaire. De préférence, le rapport entre la hauteur « h » de la section en parallélogramme (ou rectangle) et la largeur « I » de ladite section est compris entre 0,2 et 1 ,0.
Avantageusement, le moyen de déviation occupe au plus 5 % en volume du volume total de la chambre de mélange, et au plus 20 % en surface de la surface totale de la section de la chambre de mélange.
De préférence, ladite chambre de mélange comprend au moins un moyen de déviation sur la paroi interne latérale de plus grande longueur.
Avantageusement, ledit moyen de déviation se présente sous toute forme permettant la déviation au moins en partie du trajet du mélange de fluides traversant ladite chambre de mélange.
Dans un mode de réalisation particulier selon l'invention, le dispositif comprend une pluralité de moyens de déviations répartie sur un ou plusieurs niveaux horizontaux de ladite paroi latérale de plus grande longueur. Avantageusement, lesdits moyens de déviations sont espacés de façon régulière ou irrégulière sur ladite paroi latérale de plus grande longueur de la chambre de mélange. De préférence, ledit moyen de déviation est un élément de déviation choisi parmi : une chicane, une ailette, un insert, une pale.
Avantageusement, le plateau de pré-distribution est situé en aval de la chambre de mélange à une distance d2, dans le sens de la circulation des fluides, la distance d2 étant comprise entre 0 et 100 mm.
Avantageusement, la longueur de la chambre de mélange est comprise entre 90 et 270 degrés.
Un autre objet de l'invention concerne un réacteur catalytique à écoulement descendant comportant une enceinte renfermant au moins deux lits de catalyseur séparés par une zone intermédiaire comportant un dispositif de mélange de fluides selon l'invention.
De préférence, l'extrémité de sortie de la chambre de mélange dudit dispositif de mélange est positionnée suivant la direction radiale de l'enceinte dudit réacteur catalytique.
Avantageusement, la chambre de mélange dudit dispositif est positionnée à la périphérie de l'enceinte dudit réacteur catalytique. Avantageusement, ladite chambre de mélange dudit dispositif de mélange est positionnée à une distance d1 de l'enceinte du réacteur, la distance d1 étant comprise entre 0,5% et 25% du diamètre du réacteur.
Encore un autre objet de l'invention concerne un procédé de mise en œuvre d'une réaction exothermique dans un réacteur selon l'invention dans lequel on fait circuler du haut vers le bas dudit réacteur au moins un fluide réactionnel à travers au moins deux lits de catalyseur, et dans lequel on injecte un fluide de trempe dans ledit dispositif de mélange.
Un dernier objet de l'invention concerne l'utilisation d'un réacteur selon l'invention pour la réalisation de réactions exothermiques, telles que les réactions d'hydrotraitement, d'hydrodésulfuration, d'hydrodéazotation, d'hydrocraquage, d'hydrogénation ou encore d'hydrodéaromatisation.
Description des figures La figure 1 représente une coupe axiale d'un réacteur catalytique à écoulement descendant comprenant au moins deux lits de catalyseur solide, et comprenant le dispositif compact de mélange selon l'invention. La flèche en gras représente le sens d'écoulement des fluides dans le réacteur.
La figure 2 représente une section du dispositif compact de mélange selon la coupe représentée par la ligne A-A en pointillé sur la figure 1 .
La figure 3 est une vue en perspective du dispositif de mélange selon l'invention.
Les figures 4a, 4b, 4c illustrent plusieurs vues en coupe de la chambre de mélange comprenant un moyen de déviation de mélange de fluides selon un plan transversal à la chambre de mélange et passant par la ligne B-B en pointillé telle que représentée en figure 2.
Description détaillée de l'invention
Le dispositif compact de mélange selon l'invention est utilisé dans un réacteur dans lequel s'effectuent des réactions exothermiques telles que des réactions d'hydrotraitement, de d'hydrodésulfuration, d'hydrodéazotation, d'hydrocraquage, d'hydrogénation ou encore d'hydrodéaromatisation. Généralement, le réacteur a une forme allongée le long d'un axe sensiblement vertical. On fait circuler du haut vers le bas dudit réacteur au moins un fluide réactionnel (appelé aussi fluide de process selon la terminologie anglo-saxonne) à travers au moins un lit de catalyseur. En sortie de chaque lit à l'exception du dernier, le fluide réactionnel est recueilli puis est mélangé à un fluide de trempe (appelé aussi fluide de quench selon la terminologie anglo-saxonne) dans un dispositif compact de mélange de fluides avant d'être distribué au lit de catalyseur situé en aval du plateau de distribution. L'aval et l'amont sont définis par rapport au sens de l'écoulement du fluide réactionnel. Le fluide réactionnel peut être un gaz ou un liquide ou un mélange contenant du liquide ou du gaz ; cela dépend du type de réaction effectuée dans le réacteur.
Tel que mieux illustré en figure 1 , le dispositif de mélange selon l'invention est disposé dans un réacteur 1 de forme allongée le long d'un axe sensiblement vertical dans laquelle on fait circuler du haut vers le bas au moins un fluide réactionnel à travers au moins un lit de catalyseur 2. Le dispositif de mélange selon l'invention est disposé sous le lit de catalyseur 2, par rapport à l'écoulement du fluide réactionnel dans l'enceinte 1 . Une grille de support 3 permet de supporter le lit de catalyseur 2 de manière à dégager un espace de collecte 4 sous celui-ci. L'espace de collecte 4 est nécessaire pour permettre le drainage du fluide réactionnel jusqu'à une conduite de collecte 7 (décrite ci-après). Le fluide réactionnel qui s'écoule est par exemple composé d'une phase gaz et d'une phase liquide. Plus particulièrement, le fluide réactionnel traversant le lit de catalyseur 2 en amont est collecté par un moyen de collecte 5 (appelé aussi ici baffle de collecte) sensiblement horizontal pourvu d'une conduite de collecte 7 sensiblement verticale (cf. figure 1 ). Par sensiblement vertical(e) et par sensiblement horizontal(e), on entend au sens de la présente invention une variation d'un plan avec la verticale, respectivement l'horizon, d'un angle a compris entre ± 5 degrés. Le moyen de collecte 5 est constitué d'une plaque pleine disposée dans le plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'enceinte sous la grille de support 3 du lit de catalyseur 2. La plaque du moyen de collecte 5 s'étend radialement sur toute la surface du réacteur 1. Elle comporte à son extrémité une ouverture 6 à laquelle est reliée ladite conduite de collecte 7. Le moyen de collecte 5 permet de recueillir l'écoulement du fluide réactionnel provenant du lit catalytique 2 en amont et de le diriger vers ladite conduite de collecte 7. Le moyen de collecte 5 est distant de la grille de support 3 du lit de catalyseur 2 d'une hauteur H1 . La hauteur H1 doit être choisie de manière à limiter la perte de charge lors de la collecte du fluide s'écoulant du lit de catalyseur 2 et à limiter la hauteur de garde, i.e. la hauteur formée par le liquide accumulé dans le moyen de collecte 5. La hauteur de garde ne doit pas modifier le drainage du fluide réactionnel vers la conduite de collecte 7, ni son écoulement dans cette conduite. Dans un mode de réalisation de l'invention, la hauteur H1 est comprise entre 30 et 200 mm, de préférence entre 30 et 150 mm, de manière encore plus préférée entre 40 et 100 mm. Selon un mode de réalisation de l'invention, la hauteur H1 est égale à 100 mm. Ainsi, le fluide réactionnel issu du lit 2 est contraint dans l'espace de collecte 4 à passer par la conduite de collecte verticale 7. Le fluide de trempe est quant à lui injecté dans la conduite de collecte 7 via un moyen d'injection 8, par exemple une conduite d'injection 8. Le fluide de trempe peut être liquide ou gazeux ou un mélange contenant du liquide ou du gaz. Par exemple le fluide de trempe peut être de l'hydrogène. L'injection du fluide de trempe s'effectue perpendiculairement au sens d'écoulement du fluide réactionnel dans la conduite de collecte 7. Le moyen d'injection 8 utilisé est bien connu de l'homme du métier. Il peut être un piquage latéral, ou une buse ou araignée, ou une rampe de buses, etc. Le moyen d'injection 8 se situe à n'importe quelle position et hauteur dans la conduite de collecte 7 à partir de l'ouverture 6. Préférentiellement le moyen d'injection 8 se situe au niveau de la connexion de la conduite de collecte 7 et de l'extrémité d'entrée de la chambre de mélange 9.
La conduite de collecte verticale 7 débouche dans la chambre de mélange 9 au niveau de l'extrémité d'entrée de ladite chambre. Cette conduite dirige l'écoulement du fluide réactionnel et du fluide de trempe dans ladite chambre. Le diamètre de la conduite verticale 7 est choisi de manière à limiter les pertes de charge. Il sera donc choisi de manière à limiter la vitesse d'écoulement, dans ladite conduite de collecte, du (ou des) fluide(s) réactionnel(s) provenant(s) du lit de catalyseur situé en amont du moyen de collecte. Préférentiellement la vitesse desdits fluides sera comprise entre 2 et à 5 m. s"1. La chambre de mélange 9 est reliée par son extrémité d'entrée à la conduite de collecte 7. Le fluide de trempe et l'écoulement du fluide réactionnel issu du lit supérieur 2 sont ainsi forcés à emprunter ladite chambre de mélange 9 dans laquelle ils se mélangent et ont un écoulement rotatif. En sortie de ladite chambre de mélange 9, le mélange des fluides s'écoule sur le plateau de pré-distribution 11 . La chambre de mélange 9 est posée à la périphérie du réacteur 1 au-dessus du plateau de pré-distribution 11 se présentant sous la forme d'une plaque perforée. Cette position permet un gain de place dans le réacteur. Le mélange des fluides continue à se faire grâce à un écoulement rotatif des fluides sur la plaque perforée du plateau de pré-distribution 11. Les phases gaz et/ou liquide du mélange se séparent sur la plaque perforée, qui est munie d'une ou plusieurs cheminées centrales 13 permettant le passage du gaz. Les cheminées 13 sont situées de manière préférée au centre du plateau de pré-distribution 11 pour ne pas gêner l'écoulement rotatif du mélange de fluides sur ledit plateau de pré-distribution 11 . Le plateau de pré-distribution 11 s'étend radialement sur toute la surface du réacteur et est disposé dans le plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'enceinte. Il permet une première séparation du mélange ; le liquide s'écoule au travers les perforations de la plaque de pré-distribution 11 et le gaz s'écoule au travers lesdites cheminées 13, pour alimenter un plateau distributeur 12. Le nombre et la taille des perforations de la plaque perforée 11 sont choisis de manière à ce qu'une certaine hauteur de liquide soit toujours présente sur la plaque. Le plateau distributeur 12 permet d'optimiser la distribution du fluide réactionnel refroidi sur le lit catalytique 14 situé en aval dudit plateau distributeur. Les plateaux de distribution sont bien connus de l'homme du métier. De tels plateaux de distribution sont notamment décrits dans la demande de brevet WO-A-2003/039733.
Comme mentionné précédemment, la chambre de mélange 9 permet le mélange du fluide réactionnel avec le fluide de trempe. En se reportant aux figures 2 et 3, la chambre de mélange 9 a une forme sensiblement toroïdale et est de section en parallélogramme (rectangulaire dans le cadre de la figure 1 ). Par section en parallélogramme, on entend toute section à quatre côtés dont les côtés opposés de ladite section sont parallèles deux à deux, par exemple la section en parallélogramme peut être une section rectangulaire, une section carré, ou une section en losange. Elle comprend donc deux extrémités : une extrémité dite d'entrée et une extrémité dite de sortie 10, opposée à l'extrémité d'entrée. L'extrémité d'entrée est reliée à la conduite de collecte 7 et l'extrémité de sortie 10 est ouverte et permet au mélange de fluides de s'écouler sur le plateau de pré-distribution 11. La longueur de la chambre de mélange 9 est définie par l'angle formé par les plans passant par les deux extrémités de ladite chambre. La longueur de ladite chambre est comprise entre 90 et 270 degrés. De manière préférée, la longueur de ladite chambre est comprise entre 100 et 200 degrés, plus préférentiellement entre 100 et 250 degrés, de manière encore plus préférée 100 et 180 degrés, et encore plus préférentiellement entre 120 et 180 degrés.
Les dimensions de la section en parallélogramme de la chambre de mélange, de hauteur « h » et de largeur « I », sont telles que le ratio entre la hauteur « h » et la largeur « I » est comprise entre 0,2 et 1 ,0, de préférence entre 0,4 et 0,6. La hauteur « h » de la chambre de mélange est choisie de manière à limiter au maximum la perte de charge et de manière à limiter l'encombrement spatial dans le réacteur. En effet, la perte de charge du dispositif de mélange selon l'invention dépend de la hauteur « h » et de la largeur de la largeur « I » de la chambre de mélange. Cette perte de charge suit une loi classique de perte de charge et peut être définie ar l'équation suivante:
Figure imgf000009_0001
où ΔΡ est la perte de charge, pm la densité moyenne du mélange gaz+liquide dans la chambre de mélange, Vm la vitesse moyenne du mélange gaz+liquide et χ est le coefficient de perte de charge associé au dispositif de mélange. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, la hauteur « h » et la largeur « I » de la section de la chambre de mélange 9 est la plus petite possible afin de limiter l'encombrement de la chambre de mélange sur la plaque de prédistribution et d'avoir une efficacité de mélange la plus grande en sortie 10 de ladite chambre de mélange. Pour ces raisons, il est préféré d'utiliser la plus petite hauteur « h » possible permettant de respecter un éventuel critère de perte de charge maximale. La gamme préférentielle de perte de charge lors du dimensionnement de dispositifs industriels est 0,1 bars < APmax < 0,2 bars (1 bar = 105 Pa). Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, la sortie 10 de la chambre de mélange 9 a une hauteur « h' » et/ou une largeur « Γ » inférieure à la hauteur « h » et/ou la largeur « I » de la section de la chambre de mélange 9 (hors sortie) afin d'améliorer davantage l'homogénéité du mélange. Le rapport h'/h et/ou 171 est compris entre 0,5 et 1 , de préférence entre 0,7 et 1 .
Les fluides ont un mouvement rotationnel (ou de swirling selon la terminologie anglo- saxonne) dans la chambre de mélange 9. Ce mouvement favorise le mélange et l'homogénéité en température des fluides réactionnels et du fluide de trempe.
Aussi, selon un aspect essentiel du dispositif de mélange selon l'invention, la chambre de mélange 9 comprend au moins un moyen de déviation 15 du mélange de fluides traversant ladite chambre de mélange 9. Ledit moyen de déviation 15 peut se présenter sous plusieurs formes géométriques permettant d'améliorer l'efficacité de la chambre de mélange, étant entendu que lesdites formes permettent une déviation au moins en partie du trajet du mélange de fluides traversant ladite chambre. Par exemple, le moyen de déviation 15 peut se présenter sous la forme d'une chicane, de section triangulaire (figure 4a), carré (figure 4c), rectangulaire, ovoïdale ou toute autre forme de section. Le moyen de déviation 15 peut également se présenter sous la forme d'une ou plusieurs ailette(s) (figure 4b) ou bien d'une ou plusieurs pale(s) fixe(s). Ledit moyen de déviation 15 du mélange de fluides traversant ladite chambre de mélange 9 est situé sur au moins une des quatre parois internes de ladite chambre de mélange à section en parallélogramme. De préférence, le moyen de déviation 15 du mélange de fluides traversant ladite chambre se trouve au moins, et de préférence exclusivement sur la paroi interne latérale 16 de la chambre de mélange 9 la plus proche de la paroi interne du réacteur 1 (i.e. la paroi latérale de la chambre de mélange de plus grande longueur). Lorsque le moyen de déviation 15 se présente sous la forme d'une ailette, ledit moyen de déviation 15 peut s'orienter perpendiculairement par rapport aux parois latérales de ladite chambre de mélange 9. Alternativement, ledit moyen de déviation 15 peut s'orienter selon un angle alpha compris entre -90° et + 90°, les valeurs -90° et +90° étant exclues, de préférence entre -60° et +60° par rapport au plan perpendiculaire aux parois latérales de la chambre de mélange 9.
La demanderesse a découvert de manière surprenante que la forme spécifique de la section de la chambre de mélange 9 (i.e. en parallélogramme) et la présence d'au moins un moyen de déviation 15 du mélange de fluides traversant ladite chambre permettent d'augmenter de manière significative la surface d'échange entre les deux phases et donc l'efficacité des transferts de chaleur et de matière entre la phase liquide et la phase gazeuse traversant ladite chambre. Avantageusement, les moyens de déviation 15 peuvent être espacés de façon régulière ou non dans la chambre de mélange 9. Avantageusement, les moyens de déviations 15 peuvent être situés sur plusieurs niveaux horizontaux sur la paroi latérale 16 de la chambre de mélange 9.
Avantageusement, la chambre de mélange 9 comprend au moins un moyen de déviation 15 du mélange de fluides traversant ladite chambre de mélange, de préférence au moins deux moyens de déviation. Selon un aspect de l'invention, ledit au moins un moyen de déviation 15 du mélange de fluides occupe de préférence au plus 20 % en surface de la section de la chambre de mélange 9, et de préférence au plus 15 % en surface. De plus, le volume occupé par ledit au moins un moyen de déviation 15 du mélange de fluides occupe de préférence au plus 5 % en volume du volume total de la chambre de mélange, de préférence au plus 3 % en volume. En effet, le compromis entre la surface et le volume d'occupation du moyen de déviation 15 dans la chambre de mélange permet de limiter la perte de charge.
En se reportant aux figures 1 et 2, la chambre de mélange 9 est positionnée à la périphérie de l'enceinte du réacteur 1 et en amont du plateau de pré-distribution 11 dans le sens d'écoulement des fluides. Ce positionnement de ladite chambre permet de maximiser sa longueur et d'obtenir un gain de place dans le réacteur. La chambre de mélange ayant une forme courbée, elle longe l'enceinte du réacteur à une distance d1 (figure 2). Afin que le dispositif compact de mélange selon l'invention encombre le moins possible l'espace du réacteur, la distance d1 sera comprise entre 0,5% et 25% du diamètre du réacteur, préférentiellement entre 0,5% et 10% du diamètre du réacteur, encore plus préférentiellement entre 1 % et 5% du diamètre du réacteur.
Dans un mode préféré de réalisation, la chambre de mélange 9 est en contact direct avec le plateau de pré-distribution 11 . Dans cette configuration, la chambre de mélange est donc posée directement sur le plateau de prédistribution. Dans un autre mode de réalisation, ladite chambre se situe à une distance d2 du plateau de pré-distribution 11 . Dans ce cas, ladite chambre 9 sera fixée sur le plateau de pré-distribution 11 par des moyens de fixations bien connus de l'homme du métier tels que des pieds creux. Ces pieds seront positionnés dans le sens de l'écoulement du mélange. La distance d2 varie entre 0 et 100 mm, plus préférentiellement entre 0,25 et 100 mm, plus préférentiellement entre 0,25 et 50 mm, encore plus préférentiellement 0,5 et 30 mm.
Le positionnement de la chambre de mélange 9 en périphérie du réacteur et en amont du plateau de pré-distribution 11 permet également un écoulement tangentiel du mélange de fluides en dessus ou sur le plateau de prédistribution, suivant le mode de réalisation de l'invention. Cet écoulement tangentiel au-dessus dudit plateau de pré-distribution permet d'optimiser l'efficacité du mélange. En effet, le mélange entre le fluide réactionnel et le fluide de trempe continue de s'effectuer au niveau du plateau de pré-distribution. On obtient un mélange homogène en température et en concentration des fluides sur le plateau de pré- distribution 11.
Par rapport aux dispositifs décrits dans l'art antérieur, et encore plus particulièrement par rapport au dispositif divulgué dans le document FR 2 952 835 A1 , le dispositif compact selon invention présente les avantages suivants :
- une meilleure efficacité thermique et une meilleure efficacité de mélange grâce à l'écoulement rotatif dans la chambre de mélange sur ou au niveau du plateau de pré-distribution, grâce à l'effet synergique entre la forme de la section de la chambre de mélange et de la présence d'au moins un moyen de déviation du mélange de fluides traversant ladite chambre de mélange ;
- une fabrication plus aisée de la chambre de mélange (à section en parallélogramme) par rapport à celle décrite dans la demande FR 2 952 835 A1 (à section circulaire), d'autant plus avec l'ajout de moyens de déviation plus aisé pour des sections en parallélogramme que circulaires ;
- une compacité accrue du fait de la forme en parallélogramme de la section de la chambre de mélange et de l'emplacement de ladite chambre de mélange qui est très rapprochée du plateau de pré-distribution, ainsi que de l'injection du fluide de trempe.
Dans les exemples ci-dessous, on emploie indifféremment les termes "tore" ou "chambre de mélange" pour désigner la chambre de mélange à section en parallélogramme selon l'invention. De plus, les chambres de mélange des exemples ci-dessous comprennent une section rectangulaire, ce qui ne limite en rien l'invention, pour laquelle le dispositif comprend une chambre de mélange à section en parallélogramme.
Dans les exemples suivants, on compare le dispositif de mélange selon l'invention (Dispositif C) avec deux dispositifs de mélange non conforme à l'invention (Dispositifs A et B). Les comparaisons entre ces trois dispositifs se basent sur la compacité des dispositifs dans un réacteur catalytique, ainsi que de leur efficacité de mélange. Ces exemples sont présentés ici à titre d'illustration et ne limitent en aucune manière la portée de l'invention. Les trois dispositifs illustrés dans les exemples sont présentés ci-après.
Dispositif A : non conforme à l'invention (chambre de mélange à section circulaire sans moyen de déviation du mélange de fluides).
Dispositif B : non conforme à l'invention (chambre de mélange à section rectangulaire sans moyen de déviation du mélange de fluides)
Dispositif C : conforme à l'invention (chambre de mélange à section rectangulaire comprenant plusieurs moyens de déviation se présentant sous la forme de chicanes).
Pour les exemples qui suivent, les dimensions des réacteurs et des éléments constitutifs sont identiques, sauf en ce qui concerne la forme et/ou les dimensions de la chambre de mélange, ainsi que ce qui concerne la présence de moyen de déviation de mélange de fluide ou non. Les trois dispositifs se basent sur un diamètre d'enceinte réactionnelle de 4 m. La densité de la phase liquide est de 800 kg. m"3, et celle du gaz est de 20 kg. m"3. Les débits de liquide et de gaz sortant du premier lit catalytique sont respectivement de 0,1 et 0,63 m3. s"1. Le débit de fluide de trempe injecté dans la conduite de collecte verticale via un moyen d'injection est de 0,63 m3.s"1. La hauteur de l'espace de collecte (H1 ) est de 0,2 m de manière à générer une perte de charge négligeable dans cette zone. La conduite de collecte verticale a pour diamètre 0,48 m. Le moyen d'injection du fluide de trempe a un diamètre de 0,15 m. La longueur linéaire de la chambre de mélange est de 3,1 m. L'espace entre l'enceinte du réacteur et la chambre de mélange annulaire (d1 ) est de 0,36 m pour le dispositif A. Quatre cheminées centrales sont disposées en pas carré au milieu de la plaque perforée du plateau de pré-distribution. Ces cheminées ont un diamètre 0,3 m et une hauteur 0,25 m. Le plateau de pré-distribution est perforé par des trous de 1 cm de diamètre selon un pas de perforation triangulaire de 6,4 cm. Sous la plaque perforée est positionné un plateau distributeur à cheminées. La distance entre la plaque perforée de pré-distribution et le plateau distributeur est de 0,25 m. Exemple 1 : Compacité du dispositif de mélange selon l'invention
Dispositif A (non conforme à l'invention) : le diamètre de la chambre de mélange annulaire de section circulaire est de 0,35 m. L'encombrement du dispositif de mélange non conforme à l'invention, délimité par la grille de support du lit de catalyseur et par au plateau de prédistribution est d'environ 0,5 m. Il est d'environ 0,75 m si l'on rajoute l'encombrement du plateau de distribution situé en dessous de la plaque de pré-distribution.
Dispositif C (conforme à l'invention) : La chambre de mélange du dispositif selon l'invention comprend une section rectangulaire dont le ratio largeur/hauteur est choisi égal à 2. La section a une hauteur de 220 mm. Le gain en encombrement, par rapport à la chambre annulaire de section circulaire du dispositif de mélange A (non conforme à l'invention) est de 130 mm. Ainsi, à titre de comparaison, le dispositif de mélange selon l'invention permet un gain d'espace de 17% par rapport au dispositif A. L'espace gagné par la compacité du dispositif selon l'invention par rapport au dispositif de l'art antérieur peut être ainsi utilisé pour les lits de catalyseur. Ainsi le dispositif compact de mélange selon l'invention permet d'améliorer également les performances d'un réacteur par une augmentation de la quantité de catalyseur dans les lits catalytiques.
Le dispositif C comprend en outre des moyens de déviation 15 se présentant sous la forme de chicanes, i.e. des plaques planes disposées à la base de la paroi 16. Pour cet exemple, deux chicanes sont considérées, l'une située dans la première moitié de la chambre de mélange et l'autre dans la seconde moitié de la chambre de mélange.
Le dispositif B (non conforme à l'invention) à section rectangulaire présente les mêmes caractéristiques en terme de compacité que le dispositif C selon l'invention. Ce dispositif ne comprend pas de moyens de déviation 15.
Exemple 2 : Analyse de l'écoulement des fluides au niveau de la chambre de mélanges On simule l'écoulement de deux fluides dans les chambres de mélange des dispositifs A, B et C en utilisant un logiciel de mécanique des fluides (Fluent 14.5, développé par la société ANSYS Inc, Canonburg, USA). Les simulations numériques ont porté sur l'analyse des phénomènes de mélange dans la chambre de mélange et en sortie de ladite chambre.
Les caractéristiques des différentes chambres de mélange testées et les conditions expérimentales de simulation sont présentées dans le tableau 1 , ci-dessous. Longueur Débit
Débit phase Température Température du tore phase gaz
liquide (m3.s~1) T1 (°K) T2 (°K) (m) (m3.s 1)
Dispositif A
(non 3,1 0,1 0,6 323 573 conforme)
Dispositif B
(non 3,1 0,1 0,6 323 573 conforme)
Dispositif C 3,1 0,1 0,6 323 573 (invention)
Tableau 1
Pour effectuer ces simulations, on se place dans le cas le plus défavorable, c'est à dire dans le cas où les fluides (le fluide de process et l'hydrogène gazeux) ne sont pas mélangés du tout à l'entrée du dispositif de mélange. On impose donc au logiciel la configuration suivante : les fluides sont alimentés à deux températures clairement distinctes T1 (pour le fluide de process) et T2 (pour l'hydrogène) en entrée du dispositif de mélange. Plus précisément, la température T1 correspond à la température du fluide de process mesurée au niveau de l'ouverture 6 et la température T2 correspond à la température de l'hydrogène mesurée en sortie du moyen d'injection 8.
La distribution de températures calculée en sortie du tore par le logiciel de simulation, est utilisée pour estimer l'efficacité de mélange de la chambre de mélange. Cette efficacité est définie par la relation suivante :
Liq,MAX Gaz, MIN
η = 1
AT, (2)
MAX
où η est l'efficacité du mélange,
Figure imgf000015_0001
est la température maximale du liquide en sortie, TGaz,MiN est la température minimale du gaz en sortie et ΔΤ MAX l'écart maximal entre les températures en entrée, soit la valeur absolue de (T2-T1 ).
Les résultats obtenus des différentes simulations sont présentés dans le tableau 2 ci- dessous. Les efficacités de mélange sont calculées en sortie 10 de la chambre de mélange Dispositif A Dispositif B Dispositif C
Différence de température
moyenne entre gaz et liquide 33 24 7
en sortie 10 (K)
Perte de charges (kPa) 18,3 13,5 16,6
Efficacité du mélange (%) 87 90 97
Tableau 2
L'efficacité de mélange (selon équation 2) générée en sortie de ladite chambre de mélange 9 est supérieure à 97 % dans le cadre du dispositif selon l'invention (Dispositif C). Cela signifie qu'on obtient un très bon mélange de fluides dans la chambre selon l'invention et une excellente homogénéisation des fluides en température.

Claims

REVENDICATIONS
Dispositif de mélange de fluides pour un réacteur catalytique (1 ) à écoulement descendant, ledit dispositif comprenant :
au moins un moyen de collecte (5) sensiblement horizontal pourvu d'une conduite de collecte (7) sensiblement verticale pour recevoir les fluides collectés par ledit moyen de collecte (5) ;
- au moins un moyen d'injection (8) d'un fluide de trempe débouchant dans ladite conduite de collecte (7) ;
- une chambre de mélange (9) située en aval du moyen de collecte (5) dans le sens de circulation des fluides, ladite chambre comprenant une extrémité d'entrée directement reliée à ladite conduite de collecte (7) et une extrémité de sortie (10) pour évacuer les fluides ; et
- un plateau de pré-distribution (1 1 ) comportant une pluralité de perforation et comprenant au moins une cheminée (13), ledit plateau étant situé en aval de ladite chambre de mélange (9) dans le sens de circulation des fluides ;
caractérisé en ce que ladite chambre de mélange (9) est de section en parallélogramme et en ce qu'elle comprend au moins un moyen de déviation (15) sur au moins une des quatre parois internes de ladite chambre de mélange (9) de section en parallélogramme.
Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la section en parallélogramme de ladite chambre de mélange (9) est rectangulaire.
Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite section en parallélogramme est telle que le rapport entre la hauteur « h » de la section et la largeur « I » de ladite section est compris entre 0,2 et 1 ,0.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit moyen de déviation (15) occupe au plus 5% en volume du volume total de la chambre de mélange, et au plus 20% en surface de la surface totale de la section de la chambre de mélange.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite chambre de mélange comprend au moins un moyen de déviation (15) sur la paroi interne latérale (16) de plus grande longueur.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend une pluralité de moyens de déviations (15) répartie sur un ou plusieurs niveaux horizontaux de ladite paroi latérale (16) de plus grande longueur. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de déviations sont espacés de façon régulière ou irrégulière sur ladite paroi latérale (16) de plus grande longueur de la chambre de mélange (9).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit moyen de déviation (15) est un élément de déviation choisi parmi : une chicane, une ailette, un insert, une pale.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le plateau de pré-distribution (1 1 ) est situé en aval de la chambre de mélange (9) à une distance d2, dans le sens de la circulation des fluides, la distance d2 étant comprise entre 0 et 100 mm.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la longueur de la chambre de mélange (9) est comprise entre 90 et 270 degrés.
1 1 . Réacteur catalytique à écoulement descendant comportant une enceinte (1 ) renfermant au moins deux lits de catalyseur (2;14) séparés par une zone intermédiaire comportant un dispositif de mélange de fluides selon l'une quelconque des revendications 1 à 10. 12. Réacteur selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce que l'extrémité de sortie (10) de la chambre de mélange (9) dudit dispositif de mélange est positionnée suivant la direction radiale de l'enceinte dudit réacteur catalytique (1 ).
13. Réacteur selon les revendications 1 1 ou 12, caractérisé en ce que la chambre de mélange (9) dudit dispositif est positionnée à la périphérie de l'enceinte dudit réacteur catalytique (1 ).
14. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 13, caractérisé en ce que ladite chambre de mélange (9) dudit dispositif de mélange est positionnée à une distance d1 de l'enceinte du réacteur (1 ), la distance d1 étant comprise entre 0,5% et 25% du diamètre du réacteur.
15. Utilisation d'un réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 14 pour la réalisation de réactions exothermiques, telles que les réactions d'hydrotraitement, d'hydrodésulfuration, d'hydrodéazotation, d'hydrocraquage, d'hydrogénation d'hydrodéaromatisation.
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