Brevet FR2003931A1 — publié le 19691114

La présente invention concerne, d'une manière générale, des appareils de réaction et plus particulièrement des réacteurs à tubes nervurés dans l'espace intérieur rempli d'un catalyseur, desquels se déroule la réaction, l'espace autour du tube étant chauffé ou refroidi suivant la quantité de chaleur dégagée. On connait déjà des tubes laboratoires et des appareils correspondants à faisceaux de tubes avec des pièces intérieures en forme de disque pour influer sur l'échange de chaleur en direction radiale en provoquant un mélange dans le sens transversal additionnel. Ces pièces intérieures ne sont pas reliées à la paroi du tube et permettent d'atteindre par conséquent l'objectif visé, à savoir une amélioration des échanges dans le sens radial, simplement par une action sur l'écoulement. Ces pièces intérieures augmentent la perte de charge, gênent 11 introduction du catalyseur et n'augmentent pas la surface d'échange thermique. Des nervures longitudinales solidement fixées à la paroi du tube améliorent le transfert de chaleur dans le sens radial grâce à la conductivité calorifique des nervures et augmentent la surface d'échange thermique.C'est ainsi qu'on connatt déjà des tubes pour réfrigérants à huile et échangeurs thermiques, destinés à des installations frigorifiques et de production de vapeur, qui sont constituées par des demi-cylindres, entre lesquels on a incorporé par soudage des nervures longitudinales orientées radialement. De plus, des tubes semblables pour échangeurs thermiques sont en service, qui comportent simplement une seule nervure longitudinale, une des parties de chaque nervure pénètrant dans l'intérieur du tube pendant que l'autre se trouve à l'extérieur de l'enveloppe et peut, le cas échéant, entre façonn. Àvec ces tubes connus pour échangeurs thermiques à nervures longitudinales, les sections transversales des nervures restent inchangées sur toute la longueur du tube.La répartition des surfaces et des masses(ou épaisseurs) dans le sens radial est également invariable sur toute la longueur du tube, en veillant, parfois simplement, grâce à des entailles en forme de peigne, à permettre de courber plus facilement, le cas échéant, un tube de ce genre. En ce qui concerne les domaines d'utilisation des réacteurs tubulaires, ou bien constitués par des faisceaux de tube, ils concernent, dans la technique chimique, souvent des opérations d'oxydation, pour lesquelles, dans le cas de réactions se déroulant très rapidement, il faut tout d'abord évacuer de grandes quantités de chaleur en direction radiale, afin de stabiliser alors la réaction à un stade déterminé d'oxydation0 Dans de tels réacteurs, on utilise couramment des tubes de diamètre compris entre 20 et 30 mm. Ceci applique en particulier aux appareils pour la production d'anhydride phtalique, d'anhydride maléique, d'acide acrylique et d'oxyde d'éthylène ; également à la préparation du phosgène et à d'autres réactions de chloruration. On peut citer comme exemples de réactions endothermiques avec transfert de chaleur prépondérant en direction radiale, dans la zone de la réaction, la déshydratation du cyclohexanol en cyclohexanone, la déshydrogénation de l'éthylbenzène en styrène et, de plus, des réactions de dédoublement qui sont exécutées au contact de catalyseurs. Si on la considère du point de vue du débit, l'exécution sur une échelle industrielle des procédés précités pour une installation isolée avec transfert de chaleur donné à l'avance dans le sens radial et aussi élevé que possible, est limitée principalement par le diamètre du tube à réaction. En ce qui concerne les faisceaux de tubes, il existe aussi, à cause de la répartition géométrique optimale des tubes d'un faisceau, une limite de ce genre pour les échanges thermiques dans le sens radial.On ne peut dépasser à l'heure actuelle, sans inconvénient en ce qui concerne le rendement de la réaction, les dimensions limites pour les tubes, qui sont conditionnés par l'enthalpie de la réaction et la vitesse de réaction0 On peut admettre que cela provient de ce que le transfert de chaleur à partir de, ou en direction de, l'emplacement de la réaction chimique est réalisé par diffusion convection et rayonnement0 C'est là que se situe la résistance déterminant les limites de 11 échange thermique. Il est également pratiquement impossible, dans ces conditions, de réaliser dans un volume réactionnel assez grand des conditions de réaction sensiblement isothermes, bien que cela soit avantageux dans de nombreux cas. Pour franchir la limite de capacité ou de débit d'un réacteur, mise en évidence ci-dessus et conditionnée par un transfert de chaleur dans le sens radial non susceptible d'accroissement, on a déjà mis au point dans divers cas de nouveaux procédés qui, souvent, ne représentent qu'un compromis entre le débit exigé d'un ensemble de réacteurs-pour des dimensions maximales données à l'avance et la qualité du produit ou le rendement.Un exemple d'expédient de ce genre est l'utilisation de la technique de couche en mouvement turbulent (fluidisation) pour la préparation de l'anhydride phtnliquee Avec cette technique, on peut certes réaliser des installations permettant de produire environ 40 000 tonnes par an dans une file de réacteurs ; la conduite de la réaction adaptée à la technique de fluidisation entrain cependant une diminution du rendement et tout d'abord une diminution de la qualité du produit, à laquelle il faut remédier à un stade de traitement ultérieur. Dans le cas des réactions endothermiques, il existe aussi une limitation fondamentale des dimensions du réacteur, du fait que la température des parois ne peut être élevée à volonté sans diminution du rendement. Les tubes à fente annulaires et les tubes de refroidissement à rangées de nervures, tels qu'on les utilise, avec une surface des nervures non spécifique, pour les séparateurs de matières solides et par la synthèse de Fischer-Tropsch, entraînent des frais inadmissibles du point de vue économique et, de plus, ne sont souvent utilisables qu'avec des appareils fonctionnant à la pression atmosphérique. En outre, ils sont si désavantageux du point de vue des caractéristiques d'écoulement que ceci entrain à son tour une limite de capacité. Or on a trouvé que la limite de capacité ou de débit d'un réacteur à tubes ou à faisceaux de tubes en vue de l'exécution de réactions endothermiques ou exothermiques, pour des dimensions maximales déterminées à l'avance, peut être encore accrue quand les nervures des tubes sont réalisées en fonction du profil (ou de la courbe) des températures caractérisant la réaction, sans avoir une influence fâcheuse sur l'introduction du catalyseur et, le cas échéant, les mouvements de la charge du tube. L'invention consiste par conséquent en ce que le ou les tubes comportent des nervures intérieures dont la masse et la surface active sont adaptées dans les sens axial et radial à la courbe des températures de la réaction qui se déroule. Cette adaptation est réalisée, de préférence, par un profil des nervures variant sur la longueur du tube, la surface et la masse pouvant être réparties de façons variables dans les sens axial et/ou radial. Selon une autre caractéristique de 11 invention, un tube comportant, à l'intérieur, des nervures à répartition variable des surfaces et des masses, peut comporter, en plus, des découpures dans ces nervures. Les nervures selon l'invention des tubes du réacteur sont de préférence orientées dans le sens axial ; elles peuvent cependant, si l'on satisfait en même temps à des conditions additionnelles concernant l'écoulement dans le tube, être aussi disposées en hélice. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée ci-après, faite en se référant au dessin annexé, sur lequel - la fig. 1 représente la répartition spécifique des températures à l'intérieur d'un tube-laboratoire pour une réaction déterminée - la fig. 2 représente la répartition correspondante des surfaces des nervures à l'intérieur du tube - la fig. 2a est une vue en coupe transversale du tube - les figs. 3 et 4 représentent les courbes de la température le long de l'axe du tube sans et avec un agencement spécial des nervures à l'intérieur du tube ; - la fig. 5 représente la section transversale d'un tube rempli de fragments de catalyseur et dont les nervures intérieures ont des sections transversales non constantes. Lors de la déshydrogénation de l'éthylbenzène en styrène, un réacteur, réalisé avec des dimensions extérieures données de manière à obtenir les conditions de'réaction les plus favorables, est garni de tubes, remplis de catalyseur, d'environ 100 mm de diamètre. Si l'on équipe cet ensemble, en vue d'augmenter la production, de tubes d'environ 200 mm de diamètre, alors la répartition défavorable des températures représentée sur la fig. 1 s'établit dans la zone de la réaction principale, ce qui entrain une diminution du rendement. Si le réacteur est réalisé avec des tubes garnis de nervures adaptés au profil des températures de réaction, conformément aux figs. 2 et 2a, la surface et la masse (épaisseur) maximales des ner vures se trouvant dans la zone de réaction principale, il est alors possible d'utiliser des tubes de diamètre égal ou supérieur à 250 mm.De plus, on obtient aussi, dans ces conditions, une régularisation, impossible dans d'autres conditions, du profil de températures représenté sur la fig. 1, si bien qu'un réacteur de production presque doublée est réalisable du point de vue technique, avec un rendement optimal et sans changer les dimensions extérieures. L'oxydation par l'air de l'orthoxylène en anhydride phtalique est fortement exothermique, le catalyseur utilisé, très puissant et sélectif, est par contre sensible aux variations de température. Une régulation précise de la température est par conséquent indispensable. Les plus grands réacteurs utilisés pratiquement dans ce but sont, par conséquent, équipés d'environ 10 000 tubes de diamètre voisin de 25 mm, et permettent d'obtenir une production d'environ 1200 tonnes par mois d'anhydride phtalique dans une unité de réacteurs (fig. 3). Le tube nervuré réalisé, conformément à l'invention, en fonction des caractéristiques de la réaction, permet alors un passage rapide à des tubes à catalyseur de diamètre au moins égal à 65 mm (figs. 4 et 5). Ceci signifie, pour un mêne diamètre du réacteur, presqutun doublement de la capacité et, en même temps, des conditions de traitement plus modérées pour le catalyseur. On obtient des résultats favorables analogies si l'on utilise les nervures intérieures agencées en fonction des caractéristiques de la réaction pour les tubes contenant le catalyseur, lors de la synthèse de 11 anhydride maléfique et de l'oxyde d'éthylène, ainsi que lors de la désnydrogénition du cyclohexanol. Pour les nervures intérieures des tubes remplis de catalyseur, agencées en fonction des caractéristiques de la réaction et à adapter, dans les sens radial et axial au profil des te.aLpératures de la réaction endothermique ou exothermique, la surface et ia masse des nervures doivent etre distribuées de fzçon à varier d'un point à un autre. Divers moyens sont utilisables pour la réalisation -arati^ue. Si 'on utilise les tubes à nervures intérieures connus, obtenus par étirage, à surface et masse des nervures d'une section transversale constantes dans le sens radial, selon lz fig. 2 > , on peut alors éliminer par usinage avec enlèvement de copeaux les régions axiales des nervures quand la quantité de chaleur à transmettre doit entre plus faible. dans le sens radial. La surface des nervures est alors constante dans chaque plan radial d'un tube et varie dans le sens axial. On peut envisager dans ce but aussi bien les tubes à profil ou section transversale des nervures restant constantes sur toute la périphérie, que ceux à âmes de nervures de largeur variable, autrement dit de section transversale variant en oonséquence.Les ames de nervures peuvent également, selon la partie droite de la fig. 5, titre réalisées en forme de coin avec des pieds d'épaisseur accrue au voisinage de la paroi du tube. Dans la mesure où, dans une zone axiale, la conductivité calorifique maximale nécessaire de l'ensemble de la surface et de la masse des nervares existantes est insuffisante, on peut aussi fraiser dans le tube profilé à l'avance des fentes et mettre en place de l'extérieur puis fixer par soudage des nervures additionnelles de surface et de masse plus grandes. Dans ce cas, les nervures peuvent être réalisées en une mature de conductivité thermique plus élevée que la paroi du tube. Suivant les dimensions de ces nervures introduites de l'extérieur dans l'intérieur du tube, on peut aussi réaliser des tubes à surface et épaisseur des nervures de dimensions variant dans le sens radial. Pour ne pas gêner les mouvements transversaux du catalyseur à introduire dans le tube, on peut ménager aussi, localement,des découpures dans d'assez grandes surfaces des nervures incorporées de l'extérieur (voir fig 4). La réalisation par les procédés connus de coulée et de façonnage à la presse à filer offre d'autres possibilités de fabrication de tubes comportant des nervures intérieures, avec répartition variable de la surface et de la masse des nervures dans les directions axiale et radiale, cependant qu'on peut satisfaire en m8me temps à des conditions additionnelles en ce qui concerne l'emploi de matières particulières ou la résistance à l'oxydation des surfaces conductrices de la chaleur. La fabrication dun tube à nervures intérieures, à répartition des surfaces et des masses fonction des caractéristiques de la réaction, est finalement également possible par développement de la paroi du tube dans un plan. Les éléments nervurés de dimensions déterminées dans les directions axiale et radiale sont alors soudés sur la surface intérieure du tube à réaliser et la pièce destinée à former le tube est ensuite transformée en tube, de préférence ce par chauffage, le cas échéant à l'aide d'une matrice, et la ligne de joint longitudinale est fermée. L'ensemble des nervures peut, dans ces conditions, être diaposé de façon à former des hélices, dans le cas où l'on doit communiquer, par exemple, à un fluide à faire passer à travers le tube, un certain mouvement tourbillon naira. -REVENDICATIONS 1.- Réacteur pour l'exécution de réactions endothermiques et exotïiermiques, co-stitué par un ou plusieurs tubes nervurés groupés de façon à former un faisceau, dans lesquels se déroule la réaction, l'espace entourant les tubes étant chauffé ou refroidi directement ou indirectement, caractérisé en ce que le ou les tubes comportent un groupe de nervures intérieures, dont la surface et la masse actives sont adaptées en directions- axiale et radiale à la courbe des températures de la réaction qui se déroule. 2.- Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface et la masse des nervures du tube sont distribuées de manière variable en direction axiale. 3.- Réacteur selon la revendication i, caractérisé en ce que la surface et la masse des nervures sont distribuées de manière variable en direction radiale. 4.- Réacteur selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les nervures du tube réalisées avec distribution variable des surfaces et des masses comportent, de plus, des découpures. 5.- Réacteur selon les revendications 1 à 4, caractérisé par son utilisation pour la déshydrogénation de l'éthylbenzène en styrène ; l'oxydation de l'orthoxylène en anhydfldephtaiiq-ue; l'oxydation du propylène en acide acrylique ; l'oxydation de l'éthylène en oxyde d'méthylène ; la déshydrogénation du cyclohexa- nol en cyclohexanone, ainsi que pour des réactions endothermiques et exothermiques analogues. 6.- Tube comportant des nervures intérieures pour réacteurs selon les rgvendications 1 à 4, avec une distribution variable de la surface et de la masse des nervures en direction axiale, caractérisé en ce qu'il comporte une ou plusieurs fentes en direction axiale et qu'un nombre correspondant de nervures profilées en direction axiale sont incorporées par soudure ou enfoncées à la presse dans ces fentes. 7.- Tube comportant des nervures intérieures selon la revendication 6, caractérisé en ce que les nervures sont réalisées en une matière ayant une conductivité calorifique spécifique supérieure à celle de la paroi du tube. 8.- Tube comportant des nervures intérieures pour réacteurs selon les revendications i à 4, caractérisé en ce que la distribu tion variable des surfaces et des masses des nervures de forme identique du tube préfabriqué est réalisée en direction axiale par usinage par enlèvement de copeaux. 9.- Tube à nervures intérieures pour réacteurs selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une paroi de tube développée dans un plan est munie de nervures préalablement profilées, disposées axialement et/ou radialement ou suivant des lignes héli cotidales et est transformée ensuite en tube. 10.- Tube garni de nervures selon les revendications I à 4, caractérisé en ce qu?il est fabriqué par coulée.