Brevet FR2137441A1 — publié le 19721229

L'invention concerne un procédé pour récupérer et réintroduire dans un circuit des substances solides finement divises qui sont évacuées par un gaz d'entraînement hors d'une couche fluidisée. Au cours de tentatives répétées pour épurer l'air et également pour des raisons de sécurité, par exemple pour empêcher des coups de poussière, il est nécessaire de séparer et d'éliminer des substances sous forme de poussière ou, dans le cas où ces substances sont précieuses, de les réutiliser. Lorsque de telles substances apparaissent dans des réactions chimiques, on est souvent contraint pour des raisons de rentabilité de récupdrer ces substances et de les réintroduire dans le processus réactionnel. Il est connu de séparer des substances solides finement divisées dans des séparateurs de poussière ou dans des cyclones et de les réutiliser ( demande de brevet allemand mise à l'inspection Publique sous le nO 1. 174.241 ). De mEme il est connu de récupérer des gaz ou des substances à l'état de vapeur par lavage avec de l'eau ou par absorption par des solvants ( demandes de brevets allemands mises à l'inspection Publique sous les nO 1.071.673 et 1.289.828 ) ou par adsorption dans des substances solides comme par exemple le charbon actif ( demande de brevet allemand mise à l'inspection Publique sous le nO 1. 176. 101 ) . Au cours de certaines réactions chimiques, notamment de réactions chimiques dans lesquelles des gaz réagissent en présence de substances finement divisées, souvent pour des températures et des pressions élevées, il se pose le problème de récupérer aussi bien le corps réagissant sous forme gazeuse que la substance solide finement divisée. Une telle réaction est représentée notamment par la polymérisation d'oléfinesen phase gazeuse. Un tel procédé est décrit par exemple dans la demande de brevet allemand publiée sous le nO 1. 607. 648. Dans ce cas, on envoie dans un réacteur un courant tourbillonnaire d'un catalyseur finement divisé, dont la grosseur des grains est comprise approximativement entre 50 et 100 , le gaz servant à former l'écoulement tourbillonnaire ou gaz de flui dilation utilisé étant le monomère gazeux devant être polymérisé, éventuellement mélangé à des gaz inertes. Le monomère polymérise à l'aide du catalyseur en formant des particules plus ou moins fines ou grosses qui la plupart du temps possèdent approximativement la forme de sphères. Au cours de cette réaction, la vitesse du gaz nécessaire pour fluidiser ce matériau est si élevée qu'une partie du catalyseur à grains fins est entrain par le gaz d'entratnement et est évacuée hors de l'enceinte réactionnelle. Pour des raisons de rentabilité, le catalyseur coûteux doit être récupéré et doit être réintroduit dans l'enceinte réactionnelle. Par suite d'anrshement se produisant dans le lit fluidisé, il apparaît en outre des parties fines sous forme de poussière du produit de polymérisation, qui sont également évacuées facilement hors de la couche fluidisée par le gaz d'entratnement. Ici également il est souhaitable de réintroduire ces parties fines dans le processus réactionnel et d'augmenter par polymérisation la grosseur de ces particules afin d'obtenir un débit de production aussi élevé que possible. Pour remplir ces conditions, il est usuel de réaliser la réintroduction des substances finement divisées à l'aide de tubes dénommés tubes de descente, dans lesquels la matière sous forme de grains fins est amassée jusqu'à une hauteur telle que le poids de la poudre amassée dépasse la différence de pres- sion existant entre l'enceinte réactionnelle et le cyclone. Ce principa peut etre parfeitementutilisé dans des processus chimiques simples. Dans le cas de la polymérisation en phase gazeuse, ce procédé ne peut cependant être utilisé car la poudre amassée stagglomère en formant une masse solide par suite de la croissance des particules, qui se produit en raison de la polymérisation, et par suite de la chaleur de polymérisation libérée, ce qui peut provoquer l'obstruction de l'ou verdure du tube, et de ce fait la réintroduction complète du produit est remise en question. L'invention a pour but d'éviter ces inconvénients ainsi que d'autres inconvnients et de permettre une réintroduction non perturbée de la substance finement divisév,séparée. L'invention doit en outre permettre de réintroduire également des substances sous forme de gaz et/ou de vapeur dans le processus reactionnel. Ce problème est résolu conformément à l'invention grâce au fait qu'on sépare mécaniquement de façon connue en soi les substances solides finement divisées dans un séparateur de poussière ou un cyclone usuel, qu'on aspire par des moyens pneumatiques les substances solides sépares et qu'on les réintroduit par des moyens pneumatiques en une phase de faible épaisseur dans la couche fluidisée, en utilisant, pour l'aspiration et ltentrainement, une ou plusieurs des substances sous forme de gaz et/ ou de vapeur introduitesdans la couche fluidisée. Suivant un autre mode d'exécution du procédé conforme à l'invention, on détermine les quantités, utilisées pour l'aspiration et l'entraînement, des substances sous forme de gaz st/ou de vapeur de manière qu'une circulation de la couche fluidisée soit maintenue à la partie supérieure de l'appareil de fluidisation. De façon appropriée on entraîne les substances solides séparées dans un séparateur de poussière ou dans un cyclone, à une pression telle qu'elles peuvent être introduites à un endroit quelconque de l'appareil de fluidisation. Les substances solides peuvent être introduites aussi bien directement dans la couche fluidisée que dans l'espace libre de l'appareil de fluidisation. En outre conformément à l'invention il est possible d'introduire dans l'appareil de fluidisation des substances solides supplémentaires, c'est-à-dire des siibstances qui n'ont pas Jt déjà séparées, mais qui sont fraîches De telles substances solides additives peuvent cependant être également ajoutées aux substances solides déjà séparées et être introduites dans l'appareil de fluidisation. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement au dessin annexé plusieurs modes d'exécution du procédé conforme à l'invention. La figure 1 montre une coupe schématique donnée à titre d'exemple de l'appareil conforme à l'invention pour la mise en oeuvre du procédé. La figure 2 montre une partie de la figure 1, comportant le dispositif d'aspiration et d'entraînement proposé conformément à l'invention. La figure 1 représente un appareil approprié pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. La référence 1 désigne une conduite de gaz reliée au séparateur de poussière ou au cyclone 2. La référence 3 désigne une conduite prévue pour l'évacuation de la poussière. La référence 4 désigne le dispositif d'aspiration et d'entraînement, cependant que la référence 5 désigne une conduite prévue pour la réintroduction des substances solides séparées dans l'appareil de fluidisation 6. La ré référence 7 désigne une tubulure de passage du gaz d'entraînement tandis que les références 8 et 9 désignent des conduites utilisées pour ce meme gaz. Les références 10, 11 et 17 sont relatives à des robinets de réglage, par exemple des vannes.La référence 12 désigne la conduite du gaz de circulation tandis que la référence 13 est relative à un compresseur de ce même gaz. La référence 14 désigne une conduite d'amenée du gaz à l'appareil de fluidisation 6 tandis que la référence 15 désigne la partie inférieure du séparateur de poussière. Enfin le gaz frais peut être amené en 16. Le dispositif comporte donc un séparateur de poussière ou cyclone 2 qui est relié à un dispositif pneumatique 4 d'aspiration et d'entratnementpar la conduite 3 et à un appareil de fluidisation 6 par l'intermédiaire de la conduite 1, une conduite 5 servant à la réintroduction des substances solides, séparées dans le séparateur de poussière ou cyclone 2 et aspiré à l'aide du dispositif 4, dans l'appareil de fluidisation 6. Le dispositif poul la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention comporte en outre une tubulure 7 prévue pour amener le gaz d'entraînement, introduit par les lignes 8 et 9, dans le dispositif pneumatique 4 d'aspiration et d'entraînement, ainsi que des robinets de réglage 10, 11 et 17 destinés à régler le débit du gaz en direction du dispositif 4. Le type de fonctionnement du dispositif représenté en figure 1 et le suivant : Le gaz non transformé sortant de l'appareil de fluidisation 6 et qui eet chargé de la poussière fine du catalyseur et des particules fines du polymère? est amené par l'intermédiaire de la conduite 1 à un cyclone 2 dans lequel les substances solides sont séparées. La poussière qui se rassemble à la partie inférieure 15 du cyclone est envoyée par l'intermédiaire de la conduite 3 au dispositif pneumatique 4 d'aspiration et d'entraînement, qui renvoie la poussière par la conduite 5 à nouveau dans l'appareil de fluidisation 6.Au dispositif 4 d'aspiration et d'entraînement est envoyé par l'intermédiaire de la tubulure 7 le fluide d'entraînement qui est dévié par l'inter -médiaire de la conduite 8 et du robinet de réglage 11 du gaz frais, introduit dans le processus réactionnel pour compléter le gaz transformé au cours de la réaction, et/ou est prélevé par l'intermédiaire de la conduite 9 munie du robinet de réglage 10 au'gaz de circulation comprimé dans le compresseur 13. La figure 2 montre une variante du dispositif proposé pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention et qui comporte notamment un dispositif particulier d'aspiration et d'entraînement. Sur cette figure, la référence 7 désigne la tubulure empruntée par le gaz d'entraînement; la référence 21 désigne l'espace annulaire de la tuyère; tandis que la référence 22 désigne la fente annulaire de cette tuyère. La référence 23 désigne la chambre de mélangeage; la référence 24 désigne le diffuseur cependant que la référence 25 désigne la tubulure em pruntér par la poussière et que la référence 26 désigne une pièce interne de la tuyère annulaire. La référence 27 est relative à un taraudage. La référence 28 désigne une partie de la tubulure de renvoi.La référence 29 désigne une pièce en forme de tubulure tandis que la référence 30 désigne l'enveloppe du dispositif 4 d'aspiration et d'entraînement. Dans le dispositif comportant tous les éléments indiqué plus haut, la pièce interne 26 de la tuyère annulaire, qui consistue avec l'enveloppe 30 possédant une constitution adéquate la chambre annulaire 21 qui se prolonge par la fente 22 de la tuyère annulaire, dont la section se rétrécit et qui débouche dans la chambre de mélangeage 23 dont la section s'élargit pour former le diffuseur 24. La tubulure 25 est prévue pour l'amenée des substances solides séparées dans le séparateur de poussière ou cyclone 2 tandis que la tubulure 28 est prévue pour la réintroduction des substances solides aspirées dans lwappa- reil de fluidisation 6. Afin que le dispositif d'aspiration et d'entratne- ment puisse être adapté à des conditions de fonctionnement variables, la fente annulaire 22 est constituée de façon approprié de façon à pouvoir être réglée par vissage de la pièce interne 26 de la tuyère annulaire dans le taraudage 27. La tubulure d'entrée 25 destine à l'introduction des substances solides finement divisées se prolonge avantageusement par la pièce 29 en forme de tubulure jusqu'à l'intérieur de la pièce interne 26 de la tuyère annulaire. Cette forme de réalisation suivant l'invention présente l'avantage consistant en ce qu'aucune zone morte , dans laquelle la poussière peut éventuellement se déposer, n'est présente dans la partie du dispositif d'aspiration et d'entraînement, qui conduit la poussière. Le dispositif 4 d'aspiration et d'entraînement représenté en figure 2 fonctionne comme suit t Le gaz d'entraînement parvient par la tubulure 7 dans l'espace annulaire 21 et s'écoule à grande vitesse à travers la fente annulaire 22 de la tuyère annulaire dans la chambre de mélangeage 23o En raison de la dépression créée, la substance solide finement divisée est aspirée par la tubulure 25 depuis la conduite 3 reliée au cyclone 2 ( voir figure 1 ). Il se produit dans le diffuseur 24 une surpression de sorte que la substance solide finement divisée, qui est aspirée, peut être réintroduite avec le gaz d'entraînement par la tubulure 28 dans l'appareil de fluidisation 6. On va décrire maintenant une utilisation du procédé et du dispositif conformes à l'invention à l'aide de l'exemple suivant concernant la polymérisation d'éthylène en phase gazeuse Pour obtenir une production par heure d'environ 10 kg de polyéthylène par polymérisation en phase gazeuse, on fait fonctionner l'appareil de fluidisation 6, qui possède un diamètre de 42Omm, avec du gaz éthylène sous une pression de 35 atmosphbres.Pour maintenir l'état tourbillonnaire désiré, il est nécessaire d'utiliser une quantité de gaz de 3000Na3J heure ( c'est-à-dire par heure 3000 m3 ramenés aux conditions normales de pression et de température ), qui est introduite dans l'appareil de fluidisation par la conduite 14. Le gaz non transformé quitte l'appareil de fluidisation par la conduite 1 et est libéré de la poussière dans le cyclone 2. La partie inférieure 15 du cyclone est reliée par l'intermédiaire d'un tube Erméto 3,possé- dant un diamètre intérieur de 15mm, au dispositif 4 d'aspiration et d'entrainement pour la réintroduction des substances finement divisées, séparées. L'air de circulation constituant l'air d'entrainement est envoyé au dispositif 4 d'aspiration et d'entraînement par l'intermédiaire d'une conduite 9 et par une tubulure 7 ( voir la figure 2 ). Le dispositif 4 d'aspiration et d'entraînement possède une longueur totale de 150mm tandis que le diffuseur 24 possède une longueur de 70mm et une diamètre maximal de 27mm, le diamètre de la section transversale de ce diffuseur se réduisant à 20mm au voisinage de la chambre de mélangeage 23. La pièce intérieure 26 de la tuyère annulaire possède un diamètre intérieur de 18,5mm et un diamètre extérieur de 26mm. La largeur de la fente annulaire 22 de la tuyère annulaire peut être réglée entre 0 et 8mm par vissage de la pièce intérieure 26 de la tuyère dans le taraudage 27. Pour une différence de pression entre le côté aspiration et refoulement du compresseur 13 du gaz de circulation atteignant 15m de hauteur de colonne d'eau, il est possible de rnliser, pour une largeur de la fente annulaire de 2,5mm et pour une quantité de gaz d'entraînement de 7 Nm3 par heure, une réintroduction parfaite des substances solides séparées tout en obtenant simultanément une amélioration de la capacité de séparation du cyclone, ce qui est à reconnaitre dans le fait que l'amas de poussière dans un filtre à poussière monté en série et en aval du cyclone ( filtre non représenté en figure 1 ) diminue de plus de 50* dans le cas de l'utilisation du procédé ddcrit de réintroduction des substances solides séparées. Dans un appareil de fluidisation, dont la partie supérieure était élargie jusqu'à un diamètre de 700mm afin de réduire ltentrginement de la poussière par le gaz non transformé, on a mesuré, en l'absence de la réintroduction décrite de la poussière et dans les mêmes conditions de fonctionnement, 1,3 fois l'amas de poussière dans le filtre à poussière par rapport au mode de fonctionnement avec réintroduction de la poussière, la partie supérieure de l'appareil de fluidisation ne possédant pas de section élargie. Les avantages apportés par la présente invention résident notamment dans le fait que, gracie à l'utilisation d'un dispositif particulier d'aspiration et d'entraînement qui peut fonctionner avec le gaz réactionnel, c'est-à-dire avec les substances sous forme de gaz et/ou de vapeur introduites dans l'encein- te réactionnelle, la capacité de séparation du séparateur de poussière et du cyclone est grandement améliorée. Un autre avantage important du procédé et du dispositif d'aspiration et d'entraînement conformes à l'invention réside dans le fait que le cyclone peut recevoir une charge très sensiblement accrue. Il est possible de ce fait de se passer de la partie élargie coûteuse de l'appareil de fluidisation, située au-dessus de la zone où se produit la réaction, c'est-à-dire au-dessus de la zone dénommée zone de calme, cependant qu?il est possible d'obtenir un débit accru d'évacuation de matière fine hors de l'appareil de fluidisation étant donné que cette matière fine est réintroduite dans l'enceinte réactionnelle. Si l'on supprime la zone de calme dans l'appareil de fluidisation ou réacteur de polymérisation, il est possible de maintenir une couche fluidisée en circulation par une détermination adéquate de la quantité du gaz d'entraînement à la partie supérieure de l'appareil de fluidisation et donc de réaliser une évacuation particulièrement efficace de la chaleur par une augmentation de la vitesse du gaz dans cette partie su périeure où la réaction s'effectue d'une façon particulièrement vive par suite de la concentration relativement élevée en catalyseur ( les particules fines de catalyseur sont situées de fa çon prépondérante dans les zones supérieures de la couche fluidisée). Il est particulièrement avantageux que le catalyseur frais puisse être introduit directement dans cette zone de réintroduction de la poussière où il est mélangé de façon intensive à la poussière réintroduite et est mélangé au produit déjà polymérisé de manière à éviter des enrichissements locaux au contact du catalyseur frais qui conduiraient par ailleurs à des échauffements locaux et par conséquent à une détérioration du contact et à une réduction de la qualité du produit. Il est possible à l'aide de la présente invention de récupérer de façon simple et économique des substances solides finement divisées participant à une réaction chimique et de les rendre réutilisables pour une nouvelle réaction. Aucun appareil particulier de traitement, ni aucun dispositif d'absorption ou d'adsorption ne sont néceesaires. Il n'apparait aucun problème d'aucune sorte concernant le gas de sortie ou l'eau usée de sorte qu'une contribution importante est apportée à l'épuration ou au maintien de la pureté de l'air et de l'eau. Le procédé proposé conformément à l'invention pour des réactions de polymérisation en phase gazeuse est utilisé de façon particulièrement avantageuse en particulier dans le cas de la polymérisation d' oléfines en lit fluidisé en présence de catalyseurs solides. Ces réactions sont réalisées la plupart du temps à des températures élevées et sous pression. Il ne se produit aucune perte de matière polymérisée, ni de substances participant à la réaction. En particulier le catalyseur précieux et cher est récupéré en totalité. REVENDICATIONS 1. Procédé pour récupérer et réintroduire en réaction des substances solides finement divisées, qui sont évacuées par un gaz d'entratnement hors d'une couche fluidisée, caracté- risé par le fait qu'on sépare mécaniquement de façon connue en soi les substances solides finement divisées dans un séparateur de poussière ou un cyclone de type usuel, qu'on aspire par des moyens pneumatiques les substances solides séparées et qu'on les réintroduit en une phase de faible épaisseur par des moyens pneumatiques dans la couche fluidisée, en utilisant pour l'aspiration et l'entraînement lkne ou plusieurs des substances sous forme de gaz et/ou de vapeur introduites dans la couche fluidisée. 2. Procéda suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on détermine les quantités, utilisées pour l'aspiration et l'entraînement, des substances sous forme de gaz et/ou de vapeur de façon à maintenir une couche fluidisée en circulation à la partie supérieure de l'appareil de fluidisation. 3. Procédé suivant les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'on réalise l'entraînement des subst tances solides séparées sous une pression telle qu'elles peuvent être introduites à un endroit quelconque dans l'appareil de fluidisation. 4. Procédé suivant lfune des revendiations 1, 2 ou 3 caractérisé par le fait qu'on introduit des substances solides supplémentaires dans l'appareil de fluidisation. 5. Procédé suivant l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait qu'on mélange lesdites substances solides supplémentaires aux substances solides-séparées et qu'on les introduit dans l'appareil de fluidisation. 6. Dispositif pour la mise en oeuvredu procédé suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé par le fait qu'il comporte un séparateur de poussière ou cyclone (2), qui est relié à un dispositif pneumatique (4) d'aspiration et d'entraînement par l intermddiaire d'une conduite(3) et à un appareil de fluidisation (6) par l'intermédiaire d'une conduite (1), une conduite (5) prévue pour la réintroduction dans l'appareil de fluidisation (6) des substances solides séparées dans le séparateur de poussière ou eyclone (2) et aspirées a l'aide du dispositif(4), une tubulure(7)pour l'amenée du gaz d'entraînement envoyé par les conduites ( 8 et 9 ), dans le dispositif pneumatiqua (4) d'aspiration et d'entraînement ainsi que des vannes de réglage ( 10, 11 et 17 ) destinées à régler le débit du gaz envoyé au dispositif (4) d'aspiration et d'entraînement. 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que le dispositif ) d'aspiration et dentråt- nement est constitué par une enceinte annulaire(21)constituée paruneenveloppe ( 30 ) et une pièce intérieure ( 2G ) de la tuyère annulaire et qui se prolonge par une fente annulaire (22), dont la section va en se rétrécissant, et comporte en outre une chambre de mélangeage (23) dans laquelle débouche la fente annulaire (22) et dont la section s'élargit pour constituer un diffuseur (24), une tubulure (7) pour l'amenée du gaz d'entrat- nement, une tubulure (25) pour l'amenée des substances solides séparées dans le séparateur de poussière ou cyclone (2) et une tubulure (28) pour la réintroduction dans l'appareil de fluidisation (6) des substances solides aspirées. 8. Dispositif suivant la revendication 7, carac térisé par le fait que la fente annulaire (22) peut être réglée par vissage de la pièce intérieure (26) de la tuyère annulaire dans un taraudage (27). 9. Dispositif suivant les revendications 7 et 8, caractérisé par le fait que la tubulure d'entrée (25) des substances solides finement-divisées se prolonge par une pièce (29) on forme de tubulur'ejusqu'à l'intérieur de la pièce intérieure (26) de la tuyère annulaire. 10. Procédé et/ou dispositif suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caractérisé par le fait qutil est utilisé, dans le cas de la polymérisation d' olC- fines en phase gazeuse éventuellement à des températures et à des pressions élevées, pour la récupération, la réintroduction et l'amenée de catalyseurs solides et du polymérisat dans l'appareil de fluidisation.