Brevet FR2167918A1 — publié le 19730824

La présente invention concerne un dispositif de support d'un catalyseur dont le coefficient de dilatation est différent de celui des parois du réacteur dans lequel .il doit entre utilisé. On a utilisé avantageusement des éléments catalytiques formés de céramique monolithique, ou sous forme de réseaux multitubulaires, dans les procédés de traitement des effluents gazeux, de manière que les impuretés indésirables soient détruites, la réaction étant favorable étant donné la grande surface goémétrique et la faible perte de charge de ces éléments. Cependant, ils sont difficiles à monter rigidement dans des réacteurs en métal ou en alliage, car leur coefficient de dilatation thermique est nettement inférieur à celui des métaux ou alliages qui constituent les réacteurs.En conséquence, on a réalisé divers dispositifs mécaniques, comprenant par exemple des ressorts, pour le montage de ces éléments cependant, ces dispositifs montés entre les éléments et les parois des réacteurs ne donnent pas satisfaction du fait de la fatigue ou de la déformation du métal, notamment à température élevée, et ils sont en conséquence d'une efficacité limitée pour la compensation des mouvements différentiels de dilatation. Un problème analogue se pose dans le cas des catalyseurs granulaires ou à fibres associées, car ceux-ci sont habituellement en composition céramique et s'écartent de l'enveloppe métallique externe du réacteur lorsqu'ils sont chauffés. L'invention concerne un dispositif mécanique remédiant ou au moins réduisant les inconvénients précités, par compensation des différences de dilatation thermique. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de support d'un catalyseur dans un réacteur, comprenant au moins deux organes de support ayant des coefficients différents de dilatation thermique et disposés l'un par rapport à l'autre de manière qu'ils délimitent pour le catalyseur un espace ayant sensiblement le méme coefficient de dilatation thermique que le catalyseur. Le terme "catalyseur" utilisé dans le présent mé moire désigne un élément monolithique (par exemple en nid d'abeilles ou formé de fibres associées) ou une combinaison de plusieurs éléments ou méme une masse de catalyseurs particulaires enfermés dans un récipient. Le terme "métal" désigne aussi les alliages. Alors que le catalyseur se dilate thermiquement dans les trois dimensions, l'invention peut concerner moins de trois dimensions pour le support du catalyseur, le support dans la ou les directions restantes étant effectué par des dispositifs connus, par exemple par une matière isolante élastique, ou étant supprimé le cas échéant. Le support dans deux directions n'est pas nécessaire par exemple dans le cas d'un catalyseur granulaire placé dans un cylindre céramique, car le coefficient de dilatation thermique radial du cylindre en céramique est en pratique égal à celui du catalyseur ; cependant, le cylindre céramique lui-méme peut entre supporté axialement lorsqu'il est enfermé dans une enveloppe métallique externe. Habituellement, les réacteurs comprenant le dispositif de l'invention comprennent une enveloppe métallique externe, un catalyseur dont le coefficient de dilatation thermique est inférieur à celui de l'enveloppe métallique, et un dispositif de support associant le catalyseur à l'enveloppe et formé d'un métal dont le coefficient de dilatation thermique est supérieur à celui de l'enveloppe métallique, les coefficients relatifs de dilatation thermique et les dimensions du catalyseur et du dispositif de support étant tels que la somme algébrique des dilatations thermiques du dispositif de support et du catalyseur est égale à la dilatation thermique de l'enveloppe. De cette manière, l'enveloppe externe peut constituer un organe de support du catalyseur. Dans un autre mode de réalisation, ne nécessitant pas que l'enveloppe du réacteur ait un coefficient particulier de dilatation thermique, le support comprend au moins un premier organe destiné à entre fixé sur une paroi du réacteur et formé d'un métal dont le coefficient de dilatation thermique est supérieur à celui du catalyseur et comprend aussi, délimités par un premier organe et délimitant un espace destiné au catalyseur, plusieurs seconds organes dont l'un au moins est en un métal dont le coefficient de dilatation thermique est supérieur à celui du premier organe et qui est libre de se dilater vers un autre second organe, les coefficients relatifs de dilatation thermique et les dimensions des organes étant tels que la variation de la dimension de l'espace délimité par les seconds organes, lors des variations de température, est pratiquement égale à celle du catalyseur occupant cet espace. Dans ce mode de réalisation, le premier organe peut etre par exemple une tige de longueur supérieure à celle du catalyseur, les seconds organes étant des tubes coaxiaux à la tige, fixés à celle-ci à leurs extrémités externes et libres de se dilater vers l'intérieur par rapport à la tige. Le catalyseur est placé entre les extrémités internes des tubes, qui doivent avoir une forme convenant au support du catalyseur, comportant par exemple des flasques. Lorsque le catalyseur doit avoir une section annulaire, le dispositif de l'invention est tel que la paroi externe du lit de catalyseur a un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui du catalyseur et la paroi interne a un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la paroi externe, les coefficients et les dimensions relatives, perpendiculairement à l'axe du lit de catalyseur, étant tels que la somme de la dilatation de la paroi interne et la dilatation du catalyseur soit sensiblement égale à la dilatation de la paroi externe. Ce dispositif est destiné à étre utilisé avec un catalyseur particulaire. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, la compensation de la différence axiale des coefficients de dilatation thermique est assurée par des organes de coefficients différents de dilatation thermique, coulissant sur les surfaces perpendiculaires mises en regard, l'organe de coefficient de dilatation thermique le plus grand étant l'organe interne. De cette manière, un organe de coefficient élevé de dilatation thermique et de courte longueur axiale suffit à la compensation du mouven.nt axial. Un certain nombre de combinaisons à contact incliné convient le cas échéant, montées en séries. Le coefficient équivalent de dilatation thermique d'une telle combinaison de deux organes est donné par la formule LA e = e1 + (E~ - 1)(e1 - e2) L = e2 + A (e1 - e2) dans laquelle e1 est le coefficient de dilatation thermique de l'organe interne, e2 est le coefficient de dilatation thermique de l'organe externe h est la longueur totale des deux organes dans la direction de la dilatation compensée, et LA est la hauteur entre la base et le sommet de la figure solide dont les surfaces inclinées de contact entourent un tronc de cone ou une figure analogue non circulaire, c'est-à-dire une section conique formée par l'intersection d'un ctne avec deux cylindres creux coaxiaux au cane. Ces symboles sont représentés sur la figure 4 des dessins. Dans un dispositif de support de catalyseur selon l'invention, un organe de support est en acier allié austénitique, par exemple en acier inoxydable, l'un est en acier allié ferritique, par exemple en acier doux ou en alliage chrome-fer ou chrome-aluminium-fer résistant à la chaleur, les coefficients de dilatation thermique de ces matières différant par une valeur sensiblement égale au coefficient de dilatation thermique de la céramique : alliage austénitique : 16 à 18.10 6 par OCelsius alliage ferritique : 10 à 12.10-6 par OCelsius céramique : habituellement 5.10 6 par OCelsius, presque toutes les céramiques ayant un coefficient compris entre 2 etl9.l0'o par OCelsius. Ainsi, la dilatation d'une longueur donnée d'acier ferritique est sensiblement égale à celle de la moitié d'une telle longueur d'acier austénitique et la moitié d'une telle longueur de céramique, ces deux éléments étant placés bout à bout. D'autres combinaisons d'alliages conviennent le cas échéant. L'invention est particulièrement utile pour la réalisation de réacteurs catalytiques et de dispositifs de traitement des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, notamment d'automobiles, car de tels réacteurs sont soumis à des variations de température très importantes et fréquentes ainsi qu'à des vibrations et à des courants pulsés. D'autres caractéristiques et avantages de lDnven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels les références identiques désignent des éléments analogues et sur lesquels - la figure 1 représente un mode de réalisation préféré de l'invention - la figure 2 est une variante à deux tubes du dispositif de la figure 1 - la figure 3 est une coupe en plan d'un réacteur selon 11 invention - la figure 4 est une coupe axiale d'un réacteur selon une variante de l'invention - la figure 5 est une coupe d'un dispositif de maintien, d'un élément catalytique monolithique - la figure 6 est une coupe d'une équerre de montage destinée à la fixation d'un élément céramique sur les parois d'un réacteur - la figure 7 représente un exemple d'utilisation de dispositifsdes figures 5 et 6 - la figure 8 est une coupe d'un lit de catalyseur de section annulaire, comportant un dispositif de compensation en direction axiale et radiale - la figure 9 est une coupe d'un lit de catalyseur analogue à la figure 8, mais dans laquelle la paroi externe du lit joue le rôle de tige ; et - la figure 10 est une coupe d'un réacteur à inversion de sens d'écoulement, fonctionnant suivant les mimes principes que le réacteur de la figure 9. La figure 1 représente un mode de réalisation préféré de l'invention, eeprésenté en coupe en plan ; il comprend un tube céramique destiné à contenir un catalyseur particulaire ou monolithique et monté dans un réacteur tubulaire. La paroi externe F du réacteur est acier ferritique, par exemple en alliage chrome-fer ou chrome-aluminium-fer résistant à la chaleur et elle est revêtue d'une couche isolante I. Des tubes tronconiques A en acier austénitique (par exemple en acier inoxydable 18-8) sont fixés au tube F par des soudures B à une extrémité et au flasque B' à l'autre extrémité du réacteur. La longueur des tubes A est telle qu'ils maintieiment le tube C mzeme lorsque le réacteur est monté à froid. Le coulissement entre le tube C et lestubes A est possible dans les zones marquées S. Si le tube C entoure un élément monolithique et ayant des passages continus, ils sont de préférence collés. Lorsque le réacteur est chauffé, la dilatation longitudinale de la paroi F est sensiblement égale à la somme des dilatations longitudinales des tubes A et C. La dilatation radiale des tubes A est supérieure à celle du tube C, si bien qu'il existe un certain glissement au niveau des zones S. La dilatation radiale des tubes A est supérieure à celle du tube F, si bien qu'il existe des contraintes en WW ; cependant celles-ci ne sont pas supérieures à celles que le métal peut supporter élastiquement. La figure 2 représente un autre mode de réalisation de l'invention. Celui-ci est analogue aux points de vue de la construction et du fonctionnement à celui de la figure 1, mais les contraintes radiales sont évitées car de larges flasques D remplacent la soudure B et le flasque Bt. Lors de la dilatation, les flasques D, le tube A et le tube C coulissent l'un par rapport à l'autre. Il faut noter qu'un tube unique A peut te utilisé dans le cas de la figure 1, ou deux tubes A peuvent astre utilisés dans le cas de la figure 2, ou toute combinaison de ces dispositions convient. La figure 3 est une coupe en plan d'un réacteur selon l'invention, dans lequel un dispositif de compensation de dilatation maintient une charge granulaire à un état sensiblement constant de tassement. Le tube C de catalyseur, en céramique, par exemple en alumine liée par de l'argile, a ses extrémités fermées par des diaphragmes perforés P et est porté par des couches L d'isolation rigide à base de fibres, et M de ciment, dans le bottier métallique externe. La tige F, en acier ferritique, dépasse à l'extérieur d'un diaphragme en K et passe par l'autre diaphragme jusqu'au raccord J à l'extrémité du tube A dont la base est à 1'extérieur de l'autre diaphragme K'. Le tube A est en acier austénitique. Le cas échéant, par exemple dans un réacteur de grand diamètre, l'ensemble peut comprendre plusieurs tiges et plusieurs tubes. Lorsque le réacteur est chauffé, le tube C se dilate faiblement, comme le font la céramique et le catalyseur granulaire, car il est aussi en matière céramique, et il se dilate de manière sensiblement identique. La distance entre les diaphragmes (distance K-K') augmente de la valeur correspondant à la différence des dilatations du tube A et de la tige F, qui est sensiblement égale à la dilatation du catalyseur. En conséquence, le tassement du catalyseur ne varie pas. Dans les réacteurs des figures 1 à 3, le dispositif de dilatation différentielle nécessite un allongement, qui peut zetre utile si le lit de catalyseur est modifié, bien qu'au prix d'une complexité accrue. Sur la figure 4, le catalyseur, représenté en coupe et en plan, met en oeuvre la dilatation radiale pour une partie de la compensation, si bien que-le réacteur peut avoir une longueur inférieure à celle des réacteurs des figures 1 à 3. La paroi F, en acier ferritique, comporte un flasque rectangulaire D et un flasque incliné D'. L'organe A est un anneau présentant une surface plane au tube C et une surface inclinée au flasque D'. Le tube C et le flasque D ainsi que l'anneau A peuvent coulisser, et d'autre part l'anneau A et le flasque Dt coulissent aussi. L'angle de contact de A et D' n'est pas primordial, pourvu qu'il soit compris dans la plage délimitée par les angles limites de frottement des matières utilisées. Lorsque le réacteur est chauffé, la paroi F et le tube C (longueur Lc) se -dilatent longituainalement de manière différente. La dilatation longitudinale de l'anneau A est trop faible pour la compensation de toute la différence, mais sa dilatation radiale provoque le coulissement le long de la face inclinée et un mouvement vers le tube C correspondant à la dilatation d'une longueur LA de matière austénitique. Il faut noter/A est la hauteur d'un ctne dont la base est formée par le plan dans lequel la surface inclinée recoupe la surface représentée, au point le plus haut.Le tube C peut constituer la paroi externe d'un réseau multitubulaire ou d'un cylindre céramique entourant le catalyseur particulaire, ou d'un corps de catalyseur particulaire placé entre des grilles mobiles. La figure 5 est une coupe en plan d'un dispositif destiné au maintien en position d'un élément catalytique monolithique. Un bloc céramique H en nid d'abeilles, comprenant un catalyseur, est maintenu de manière à ne pas se déplacer axialement dans le réacteur non représenté, par une tige axiale F en acier ferritique, soudée aux extrémités du réacteur, et par des tubes coaxiaux A munis de flasques et fixés à la tige F par des boulons N, les tubes A portant. contre le bloc dans les zones K et K'. Lors du chauffage du réacteur, la dilatation totale du bloc H et du tube A est égale à celle de la tige F et en conséquence il n'y a pas compression ni libération du bloc. La figure 6 est une coupe en plan d'une équerre de montage destinée à la fixation d'un élément céramique sur les parois d'un réacteur. L'élément céramique est serré entre les extréleités K et K' de l'équerre mais n'est pas représenté, par raison de clarté. Lorsque le réacteur contenant l'élément céramique et le support est chauffé, la dilatation des organes F1 et F2 en acier ferritique est compensée par la dila tation de l'organe A en acier austénitique, si bien que la dilatation globale est égale à celle de l'élément catalytique de longueur Lc. La figure 7 représente un exemple de mise en oeuvre des dispositifs des figures 5 et 6, dans la réalisation d'un ensemble catalyseur comprenant 16 ensembles monolithiques. L'ensemble est fixé dans le carter métallique externe R comprenant 4 plaques latérales suffisamment épaisses pour titre rigides. Les ensembles C sont avantageusement des éléments en nids d'abailles tels que décrit dans la demande publiée des Pays-Bas nO 7 206 153 ; par raison de clarté. on les a représentés sur la figure 7 sous forme de zones ouvertes, mais il faut noter qu'ils présentent par exemple 8 à 95 passages par cm2. Les espaces Q compris entre les ensembles sont remplis d'un ciment réfractaire, par exemple d'un ciment alumineux à faible teneur en silice, contenant un agrégat réfractaire, un espace relativement large étant laissé au passage des tiges F, F2 de compensation de dilatation.Le coefficient de dilatation du ciment est suffisamment proche de celui de la céramique pour qu'il ne se crée pas de contraintes excessives. L'espace compris entre les éléments de catalyseur et les plaques latérales peut entre rempli d'un réfractaire tassé le cas échéant. Les trous des plaques latérales ont un diamètre suffisamment supérieur à celui des tiges F pour que le déplacement relatif soit possible lors de la dilatation des plaques. La figure 8 représente une coupe en plan d'un lit de catalyseur de section annulaire, assurant la compensation de la dilatation différentielle, à la fois en directions axiale et radiale. La paroi externe F du lit C est en acier ferritique. La paroi interne A du lit de catalyseur est en acier austénitique. Les extrémités du lit de catalyseur sont des diaphragmes perforés P maintenus en position par des disques K qui sont eux-mtmes supportés par la tige F' en acier ferritique, par des tubes A' en acier austénitique. L'un des diaphragmes P au moins est cependant libre de se déplacer par rapport aux parois F et A. Lorsque le réacteur est chauffé, la paroi F se dilate radialement, mais la paroi A se dilate radialement de façon supérieure, si bien que la somme des dilatations des parois A et du lit C est égale à la dilatation de la paroi F. Simultanément, le catalyseur granulaire C se dilate axialement et les diaphragmes P s'éloignent de la valeur permise par la dilatation vers l'extérieur de la tige F', réduit de la dilatation vers l'intérieur des tubes A', les dilatations étant calculées de manière que le mouvement résultant soit égal à la dilatation du catalyseur. La figure 9 est une coupe en plan d'un lit de catalyseur analogue à celui de la figure 8, mais dans le- quel la paroi externe joue le rôle de la tige. La paroi externe F est en acier ferritique et comporte des flasques internes D, Dt. La paroi interne A du lit de catalyseur est en acier austénitique et elle est maintenue en position coaxiale par des diaphragmes perforés P dont l'un repose contre un flasque interne D et l'autre est libre de se déplacer par rapport à la paroi externe. L'autre diaphragme P est repoussé au contact du catalyseur en K, par l'anneau profilé A' tourné vers le lit de catalyseur depuis le flasque interne D sur lequel il est maintenu par le canal formé dans son profil. La paroi interne A ne peut pas se déplacer axialement car des organes radiaux non représentés la fixent par rapport au flasque D et ainsi, grâce au flasque externe, le paroi A forme une butée supportant le diaphragme P en K'. Lorsque le réacteur est chauffé, la paroi A et la paroi externe F coopèrent domme dans le cas de la figure 8 de manière à assurer la dilatation radiale nécessaire cor respondant à celle du lit catalyseur. Simultanément, la somme des dilatations longitudinales du lit de catalyseur et de 1anneau At est égale à la dilatation de la paroi externe F. La figure 10 est une coupe en plan d'un réacteur à inversion de sens d'écoulement, réalisé selon les mimes principes que celui de la figure 9. La paroi externe F en acier ferritique a une entrée axiale dans laquelle se logent un tube central A, et une sortie décentrée. Le tube A en acier austénitique est un prolongement du tube F' qui est fixé rigidement à ltentrée du réacteur ; le tube A comporte un flasque externe D' placé dans le meme plan que le flasque D placé à l'intérieur, dans la paroi externe F, si bien que les deux flasques supportent le diaphragme perforé P. L'extrémité interne du tube A est recouverte par un organe perforé et annulaire A' en forme de canal, ayant des flasques tournés vers l'extérieur et vers l'intérieur et supportant un second diaphragme P en K. L'organe A' est en acier austénitique. Lorsque le réacteur est chauffé, la paroi F se dilate radialement, mais le tube central A se dilate plus que lui, si bien que la somme des dilatations radiales de la paroi A et du lit C est égale à la dilatation radiale de la paroi F. Simultanément, la paroi F se dilate axialement et permet l'éloignement des diaphragmes P, mais ce déplacement est annulé par la dilatation axiale de l'organe A'. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées. RE SICATIOssTS 1. Dispositif de support d'un catalyseur dans un réacteur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux organes de support ayant des coefficients différents de dilatation thermique et disposés l'un par rapport à l'autre de manière qu'ils délimitent un espace destiné au catalyseur et ayant le mtme coefficient de dilatation thermique que le catalyseur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi du réacteur constitue l'un des organes de support. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qutil comprend au moins un premier organe destiné à entre fixé sur une paroi d1un réacteur et formé d'un métal dont le coefficient de dilatation thermique est supérieur à celui du catalyseur, ledit dispositif comprenant aussi, entre un premier organe et délimitant un espace destiné au logement d'un catalyseur, plusieurs seconds organes dont l'un au moins est en métal dont le coefficient de dilatation thermique est supérieur à celui du premier organe et qui est libre de se dilater vers un autre second organe, les coefficients relatifs de dilatation thermique et les dimensions desdits organes étant tels que la variation de dimensions de l'espace délimité par les seconds organes, lors des variations de température, est sensiblement égale à la variation de dimensions du catalyseur occupant cet espace. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier organe est une tige de longueur supérieure à celle du catalyseur, les seconds organes sont des tubes coaxiaux à la tige, fixés à celle-ci à leurs extrémités externes et libres de se dilater vers l'intérieur par rapport à la tige, les extrémités internes des tubes étant destinées à supporter le catalyseur. 5. Dispositif selon la revendication 1, destiné au support d'un catalyseur particulaire formant un lit de section annulaire, caractérisé en ce qu'il comprend une paroi externe du lit dont le coefficient de dilatation thermique est supérieur à celui du catalyseur et une paroi interne ayant un coefficient de dilatation supérieur à celui de la paroi externe. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les organes de coefficients différents de dilatation thermique sont disposés de manière à coulisser sur des surfaces inclinées placées en regard, l'organe de coefficient élevé de dilatation thermique étant l'organe interne. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que organe de coefficient élevé de dilatation thermique est en acier austénitique, et l'organe de faible coefficient de dilatation thermique est en acier ferritique. 8. Réacteur, caractérisé en ce qu'il comprend un espace destiné au logement d'un catalyseur et délimité par un dispositif de support selon la revendication 1. 9. Dispositif de purification catalytique des gaz d'échappement d'une automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un réacteur selon la revendication 8.