Brevet FR2168978A1 — publié le 19730907

La présente invention concerne un appareil pour la formation de réactions chimiques exo ou endothermes, avec ou sans variation de volume, en présence d'un catalyseur solide en couche fixe ou en suspension, ou d'un catalyseur liquide, les réactions s'effectuant entre réactifs en phase gazeuse, ou entre réactifs en phase gazeuse et réactifs en phase liquide. On connatt des appareils pour la formation de réactions catalytiques exo ou endothermes, qui s'effectuent avec ou sans variation de volume, entre réactifs en phase gazeuse et liquide dont la section est constante sur toute la longueur effective de réaction. De même, dans le cas de réactions catalytiques en phase gazeuse exo ou endotherme, avec ou sans variation de volume, qui ont lieu en présence d'un lit catalytique fixe, formé d'une ou de plusieurs couches de catalyseur, on connatt des appareils de réaction qui ont une section constante sur toute la zone utile, malgré que les variations de température et de volume des réactifs influencent sensiblement le temps de contact de chaque micro-couche catalytique, suivant leur direction d'avancement. Ces caractéristiques influencent négativement le gradient de conversion qui, pour autre maintenu constant le long de la zone de réaction, nécessite qu'en même temps que la variation de température se produise également la variation du temps de contact. Cet inconvénient devient encore plus notable dans le cas des réactions endothermes qui ont lieu avec un accroissement de volume, parce qu'en même temps que l'accroissement du volume et la baisse de la température, se produit également une diminution du temps de contact. Dans ce cas, le gradient de conversion diminue sensiblement suivant la direction d'avancement des réactifs, la conversion la plus élevée ayant lieu à l'entrée dans la couche catalytique où la température et le temps de contact ont une valeur maximum et diminuant sensiblement à mesure que les réactifs avancent dans la couche de catalyseur. Dans le cas des réactions exothermes gaz-liquide qui produisent une grande baisse en volume, soit qu'elles utilisent des catalyseurs en couche fixe, en suspension, ou dissous, on emploie des appareils du type à colonne dont la section est également constante. A mesure que la réaction avance, la température croît, le volume total diminue, le temps de contact croit, favorisant l'apparition des réactions secondaires qui ont une influence sur le rendement en produit utile. On connaît également des appareils dont la section de réaction est variable, par exemple les réacteurs catalytiques sphériques. Ces appareils présen tent l'inconvénient de ne pouvoir faire la corrélation entre le temps de con tact et la température de réaction, étant donné que la variabilité de la cou che catalytique est en double sens, croissant jusqu'à un maximum et décrois sant ensuite, fait qui influence négativement la conversion et la sélectivité. L'appareil faisant l'objet de l'invention évite tous ces inconvénients par le fait que, dans le but de réaliser une corrélation optimale entre la température et un temps de contact à vitesse linéaire constante, et par conséquent une conversion constante sur toute la longueur utile de l'appareil, la section de la zone de réaction est variable dans un seul sens Des modes de réalisation de l'invention sont donnés ci-dessous à titre d'exemples en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une vue verticale d'un appareil à section variable réalisé avec profil constructif du manteau de l'appareil; - la figure 2 est une vue verticale d'un appareil à section variable, obtenu par l'introduction dans le lit catalytique d'un corps conique compact ayant sa base vers le haut;; - la figure 3 est une vue verticale d'un appareil à section variable, obtenu par modification du manteau et par introduction centrale d'un cône renversé; - la figure 4 est une vue verticale d'un appareil à section variable, obtenu par introduction centrale d'un cône compact renversé; - la figure 5 est une vue verticale d'un appareil à section variable, obtenu par modificationdu manteau et par introduction centrale d'un profil compact à section en losange; - la figure 6 est une vue verticale d'un appareil à section variable à manteau extérieur en forme de tronc de cône, muni d'un diffuseur intérieur cylindrique; et, - la figure 7 est une vue verticale d'un appareil à section variable, avec manteau extérieur cylindrique et diffuseur en forme de tronc de cône. ler EXEMPLE Un appareil pour effectuer les réactions catalytiques hétérogènes endothermes à augmentation de volume est construit avec section variable dans un seul sens, par modification de la construction des parois de l'appareil (figure 1). L'appareil est formé d'un corps métallique 1 muni à l'intérieur d'un matériau céramique réfractaire 2 disposé de manière à former un espace tronconique allongé à sa partie supérieure. A l'intérieur de l'appareil se trouve une grille métallique 3 sur laquelle repose une couche fixe de catalyseur 4. A la partie supérieure de l'appareil est situé un trou d'alimentation 5 destiné à l'introduction des réactifs et à la partie inférieure un trou d'évacuation 6 pour l'éli- mination des produits de réaction. Dans le cas de réactions de déshydrogénation, les réactifs, les hydrocarbures de déshydrogénation et la vapeur, introduits par le trou d'alimentation 5, pénètrent à la température de régime dans la couche catalytique 4 où, au fur et à mesure de l'apparition des produits de déshydrogénation, donc avec accroisse ment du volume, la température de réaction endotherme baisse, tandis que, à cause de l'augmentation de la section du lit catalytique, le temps de contact croît. On réalise ainsi une corrélation optimale entre la température et le temps de contact, en obtenant un gradient de conversion constant. 2ème EXEMPLE Un appareil de réaction à section variable est constitué d'un corps métallique 1, muni d'un trou d'alimentation supérieur 5 et d'un trou d'évacuation 6, ainsi que d'une grille métallique 3 pour soutenir la couche de catalyseur 4. La section variable est obtenue par introduction centrale à l'intérieur de la couche catalytique 4, d'un profil compact 7 à section en forme de losange. 3ème EXEMPLE Dans le cas de réactions puissamment endothermes qui ont lieu avec de grandes croissances de volume, et qui nécessitent une variation avancée de la surface de la section de sortie par rapport à la surface de la section d'entrée, on utilise un appareil de réaction obtenu par la combinaison constructive des deux appareils des exemples précédents, c'est-à-dire par la modification du manteau céramique réfractaire 2 et par l'introduction centrale à l'intérieur de la couche fixe de catalyseur, située sur une grille métallique d'un corps conique compact, démontable et renversé. L'introduction des réactifs s'effectue à la partie supérieure par le trou d'alimentation 5, et l'évacuation steffectue à la partie inférieure par le trou d'évacuation 6. 4ème EXEMPLE Pour les réactions puissamment exothermes, à diminution de volume, du type des réactions d'hydrogénation ou d'oxydation, on emploie un appareil de réaction ayant la forme de celui décrit à l'exemple 2, à la différence que le profil compact 7 a la forme d'un cône posé normalement sur la grille métallique. Dans ce cas, à mesure de la croissance de la température et de la diminution du volume des réactifs pour le maintien du gradient de conversion constant, la diminution du temps de contact devient nécessaire. Par augmentation de la surface de réaction à l'entrée des réactifs et par sa diminution à la sortie de ceux-ci, on maintient une corrélation entre la température, le volume des réactifs et le temps de contact, en réalisant ainsi un gradient de conversion efficient. 5ème EXEMPLE La section variable de l'appareil de réaction est obtenue tant par la modification du manteau réfractaire 2, que par l'introduction à l'intérieur de la couche fixe de catalyseur 4 posée sur grille métallique 3, d'un profil compact à section en losange 7. L'alimentation et l'évacuation des réactifs s'effectuent comme dans les autres appareils, par les trous 5 et 6 respectivement. 6ème EXEMPLE Dans le cas des réactions en phase homogène du type gaz-liquide, ou liquide-liquide, avec catalyseur en suspension ou dissous, celles-ci s'effectuent dans un appareil de réaction comportant une colonne 8 de forme tronconique munie à l'intérieur, le long de l'axe, d'un diffuseur de recirculation cylindrique 9. A la partie inférieure, l'appareil comporte une conduite 10 d'alimentation en réactif liquide, qui pénètre dans le diffuseur de recirculation 9, avec une conduite 11 d'alimentation en réactif gazeux, et une conduite 12 d'alimentation pour le catalyseur qui est en suspension ou dissous. A la partie supérieure est prévue une conduite 13 d'évacuation des produits de réaction. Après que la colonne entière a été remplie de réactif liquide et de catalyseur dans le rapport établi et avec les paramètres optimaux, on introduit le réactif gazeux par la conduite 11 à la température et à la pression de régime. Celuici, à mesure qu'il avance dans la couche de liquide, diminue de volume par la réaction avec le composant liquide, en produisant en même temps une recirculation interne par le diffuseur 9. Les gaz monoadsorbés avec le produit de réaction liquide s'éliminent continuellement par la conduite 13 placée à la partie supérieure de la colonne 8. La section variable de la surface de réaction obtenue par la construction même de l'appareil réalise la corrélation permanente du temps de contact entre les réactifs gazeux et liquides, en assurant à la fois une turbulence optimale à cause de la vitesse constante à la partie haute. 7ème EXEMPLE Pour les réactions qui s'effectuent à hautes pressions, où les appareils du type à colonne sont difficiles à construire, on utilise des appareils qui diffèrent de ceux décrits dans l'exemple 6 uniquement par la forme de la colonne 8 qui est cylindrique, et du diffuseur 9 qui est tronconique, la grande base en haut. L'invention présente les avantages suivants - elle permet la réalisation d'une corrélation optimale entre la tempéra- ture et le temps de contact dans la zone de réaction; - elle permet la réalisation de certaines vitesses linéaires constantes sur toute la longueur de la zone de réaction et un transfert thermique et de masse constants; - elle permet l'utilisation de certaines conditions de température plus sévères, conduisant à des productivités plus importantes par unité de volume de réaction; - elle peut être réalisée d'une manière simple, aussi bien dans le cas des nouveaux appareils de réaction que dans le cas de l'adaptation des appareils classiques existants. REVENDICATION Appareil pour la formation de réactions chimiques en présence d'un catalyseur solide ou liquide, caractérisé par le fait que, dans le but de réaliser une corrélation optimale entre la température et le temps de contact dans la zone de réaction et le maintien d'une vitesse linéaire constante sur toute la longueur de la zone de réaction, et par suite un gradient de conversion constant sur toute la longueur de l'appareil, un manteau métallique (1) ou (8) de forme adéquate est prévu,dont l'intérieur est modifié de manière correspondante par la forme convenablement choisie pour le revêtement céramique réfractaire (2), ainsi que par l'introduction d'un profil compact et inactif (7) de forme conique à base plane ou pyramidale, la disposition du profil compact (7) et la forme donnée au revêtement céramique (2) étant en corrélation telle que la section de la zone de réaction varie dans un seul sens, soit descendant, soit ascendant.