Brevet FR2277035A1 — publié le 19760130

L'invention se rapporte à un réacteur pour la synthèse de l'ammoniac, ou bien à une installation pour conduire cette réaction à partir de l'azote et de l'hydrogène en présence d'un catalyseur solide sous une haute pression, et particulièrement elle se rapporte à des dispositifs servant au refroidissement d'un lit de catalyseur. Parmi de nombreuses méthodes connues de refroidissement, la méthode la plus simple et, pour cette raison, actuellement la plus répandue consiste dans le partage de catalyseur employé en quelques lits disposés en série et dans l'amenée de flux de gaz froid d'alimentation additionnels entre les lits. On refroidit le flux primaire en le mélangeant avec les différents flux froids. le plus fiable des réacteurs connus, dans lesquels on a utilisé ladite méthode de refroidissement, est un appareil cylindrique vertical renfermant des lits placés l'un au-dessus de l'autre. le sens d'écoulement du gaz à travers les lits est aussi vertical, d'ordinaire de haut en bas. D'ordinaire dans le réacteur, il y a aussi un échangeur thermique pour chauffer le gaz alimentant le premier lit par le gaz quittant le dernier lit. Tous ces éléments au dedans du réacteur sont enfermés dans un réservoir à haute pression. le réacteur se raccorde à la partie restante de l'installation par l'intermédiaire des conduites haute pression suivantes : le flux primaire d'arrivée, le flux d'écoulement, autant de flux refroidissants que de lits moins un et, éventuellement, un sbnnt d'échangeur. L'un de ces réacteurs les plus répandus est décrit dans le brevet français nO 1 528 951 tEellogg). Ce réacteur connu possède beaucoup d'avantages qui résultent de la disposition verticale naturelle de l'ensemble de l'appareil et au passage vertical du gaz à travers des lits. En outre, les expériences acquises durant plusieurs années d'applications facilitent sa construction et son exploitation fiable. Malgré ses avantages, il est peu à peu remplacé, depuis quelques années par d'autres types de réacteur, surtout par des réacteurs horizontaux avec passage vertical du gaz à travers le catalyseur et des réacteurs verticaux avec passage horizontal (radial). Cela provient des difficultés rencontrées dans l'adaptation dudit réacteur aux catalyseurs à grains très fins. Une tendance contemporaine d'employer un catalyseur à grains très fins, par exemple 1,5 - 3 mm au lieu du grain 6 - 12 mm utilisé universellement jusqu'à ces derniers temps, est entièrement justifiée par l'augmentation d'activité qui en résulte. Pourtant une disposition du lit tout à fait différente constitue la condition nécessaire pour introduire ce changement. En raison de la résistance hydraulique plus grande du catalyseur à grains très fins, le lit doit maintenant être très court dans le sens d'écoulement du gaz, et de ce fait, large dans le sens transversal. Il est difficile de remplir cette condition dans ledit réacteur vertical avec le passage vertical du gaz et la nécessité de bien mélanger une petite quantité du gaz refroidissant avec un très large flux primaire du gaz descendant du haut en bas d'un lit à un autre. Les solutions connues des dispositifs mélangeant ces flux consistent à créer un espace dépourvu de catalyseur dans les endroits où les lits confinent l'un à l'autre et à placer, dans cet espace, un distributeur, ctest-à-dire un tuyau ou un jeu de tuyaux avec nombreux grous. le distributeur est relié, par les canaux correspondants à l'intérieur du réacteur, à une conduite haute pression extérieure qui amène le flux refroidissant du gaz d'alimentation. Chaque conduite est munie d'une vanne de contrôle d'écoulement. L'invention a pour but d'assurer un meilleur mélange des gaz froid et chaud qu'avec les dispositifs connus, en conservant à la fois une configuration verticale de l'ensemble du réacteur et bien que l'on emploie un très grand diamètre des lits. On a atteint ce but en équipant tous les endroits, où les lits confinent l'un à l'autre, de deux, ou plus, distributeurs du gaz froid séparés, dont chacun est relié à un canal séparé amenant le gaz froid, chaque canal étant muni d'une vanne de contrôle séparée. Cette solution rend possible une régulation individuelle de l'arrivée du gaz refroidissant aux différentes parties de la section droite des lits. bvecccette régulation on arrive à compenser les températures du même niveau du lit, ce qui est un indice de mélange satisfaisant. Grâce à la multiplication des points de contrôle, on peut atteindre ce résultat même si des circonstances défavorables additionnelles apparaissent telles qu'une qualité de catalyseur différente dans les différents endroits du lit, des variations de sa résistance hydraulique, etc. Grâce au partage des dispositifs refroidissants cités cidessus, le but principal de l'invention est donc atteint, mais avec l'augmentation simultanée du nombre des dispositifs auxiliaires du réacteur, et surtout du nombre des conduites haute pression du gaz refroidissant qui se traduisent par une complication de la structure pratiquement inacceptable. C'est pourquoi, on introduit dans la construction un autre trait caractéristique pour l'invention en plaçant lesdites vannes de contrôle à l'intérieur du réacteur de telle manière que la répartition de la totalité du gaz froid d'alimentation en flux primaire et flux refroidissant du lit se fasse également à l'intérieur du réacteur. Gr ce à cela, le nombre des conduites haute pression reliant le réacteur avec la partie restante de l'installation non seulement ne slaccrott pas, mais décroît même, Jusqu'à en principe n'en avoir plus que deux, celledarri- vée et celle d'écoulement. les vannes placées à l'intérieur du réservoir à haute pression ont leurs broches traversant la paroi de ce réservoir. Compte tenu du petit diamètre desdites broches, leur étanchement dans les parois ne pose aucune difficulté. Sur la figure I on a montré à titre d'exemple, en section axiale, une forme d'exécution possible du réacteur selon l'invention. la figure 2 représente la section droite dudit réacteur au niveau indiqué, sur la figure 1, par les flèches interrompues. le réacteur se compose d'un réservoir haute pression vertical 1 qui renferme un panier de catalyseur 2 et un échangeur 3* le panier 2 est plus petit que le réservoir I grâce à quoi il existe un espace vide 4 entre ces éléments. Â l'intérieur du panier 2, il y a quatre lits 5 de catalyseur, l'un au-dessus de l'autre. Les zones 6,où les lits confinent l'un à l'autre, sont reliés , chacun à part, par des canaux 7 à l'espace vide 4 qui entoure le panier 2. Sur la figure 1 on n'a montré que 2 canaux, mais comme on le voit à la figure 2, il y en a six pour chaque zone 6. Chaque canal 7 est raccordé,à l'une de ses extrémités, au distributeur séparé 8 muni de nombreux trous 9. A l'autre extrémité, le canal 7 se termine par une vanne 10. la broche Il de la vanne 10 traverse le couvercle du réservoir il et est étanchée avec un presse-étoupe convenable qui n'est pas représenté sur le dessin. le passage du gaz à travers le réacteur se fait comme suit: Le flux du gaz froid d'alimentation entre dans le réacteur par un orifice 12 puis, dans l'espace 4, il se sépare en flux primaire alimentant l'échangeur 3 et en flux refroidissant mené par les canaux 7 des vannes 10 aux distributeurs 8. De l'échangeur 3, le flux primaire passe par le tuyau central 13 au lit supérieur de catalyseur 5. Après avoir traversé le lit et s'être mélangé avec les flux refroidissants entre les lits, le gaz, constituant déåà à ce moment-là un gaz traité, passe par 11 échangeur 3 à 1'intérieur des tuyaux et quitte le réacteur par un orifice 14. Dans l'exemple ci-dessus, on peut régler indépendamment la distribution des températures le long et en travers des lits en un certain nombre de zones 18, tandis que le réacteur n'est relié à la partie restante de l'installation que par deux ou trois conduites : celle d'arrivée, celle d'écoulement et éventuellement un shunt d'échangeur. REVNDICTION 1.- Réacteur pour la synthèse de l'ammoniac se composant d'un réservoir haute pression qui renferme un échangeur thermique et un panier de catalyseur, ledit panier comprenant des lits de catalyseur disposés l'un au-dessus de l'autre, les zones, où les lits confinent l'un à l'autre étant reliées à une source de gaz froid d'alimentation, caractérisé en ce qu'il est muni de canaux (7) reliant les zones (6), où les lits confinent l'un à l'autre, à un espace- (4) prévu entre le panier (2) et le réservoir haute pression (1), chaque canal (7) se terminant dans l'espace (4) par une vanne ( 10) qui rend possible-une régulation d'arrivée-du gaz de l'espace (4), audit canal (7), la broche de la vanne (10) sortant à l'extérieur du réacteur. 2.- Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est muni d'au moins deux fois plus de canaux (7) que de zones (6), où les lits confinent l'un à l'autre, ou bien deux fois plus de canaux que le nombre de lits moins un. 3.- Réacteur selon la reveddication 1, caractérisé en ce que l'unedes extrémités de chaque canal (7) est reliée à un tuyau possédant de noSbreu trous (9), ledit tuyau constituant un distributeur du gaz. 4.- Réacteur selon Zes revendications1 et 3, considérées conjointement, caractérisé en ce que l'extrémité de chaque canal (7) est reliée à un distributeur.