Brevet FR2472412A1 — publié le 19810703

La présente invention se rapporte à une chambre réactionnelle pour réactions catalytiques et vise en particulier des perfectionnements apportés à un dispositif de mélange de gaz dans une chambre réac- tionnelle pour réactions catalytiques de gaz. Par souci de simplification, on pourra désigner ci-après cette chambre de réaction sous le nom de réacteur. Dans certaines opérations chimiques o l'on produit une réaction catalytique de gaz en faisant passer ces gaz à travers deux ou trois lits catalytiques ou davantage, en série, il y a souvent lieu de mélanger un gaz ou un mélange de gaz après "le premier gaz") ayant traversé un certain lit catalyseur, à un autre gaz, ou mélange de gaz (que l'on appellera ci-après "le second gaz") avant d'in- troduire l'ensemble de ces gaz dans le lit catalytique suivant. On peut citer, à titre d'exemple, le procédé d'obtention de styrène par déshydrogénation cataly- tique de l'éthylbenzène. Etant donné que la réaction de déshydrogénation est endothermique, la température des gaz dans le lit catalytique baisse, à mesure que ces gaz traversent le lit catalytique et, par suite, la réac- tion de déshydrogénation ne s'effectue pas à une vitesse satisfaisante dans le lit catalytique suivant. Il est donc nécessaire d'introduire de la vapeur d'eau à température très élevée dans le gaz qui sort du lit catalytique afin d'élever sa température. En vue d'assurer une marche uniforme de la réaction et pour obtenir un taux de conversion élevé, il convient que la vapeur d'eau introduite entre les couches catalytiques se mélange au gaz de réaction de la manière le plus homogène possible. En outre, il est préférable que le réacteur ait des dimensions faibles et, par suite, il convient que l'espace compris 247241 2 entre les couches catalytiques, qui sert au mélange du premier et du second gaz, soit aussi petit que possible. Jusqu'à ce jour, on a fait diverses tentatives pour rendre compatibles ces conditions qui, a priori, ne le sont pas. Une de ces tentatives consiste à souffler le second gaz suivant des directions radiales dans un courant du premier gaz orienté longitudinalement, et une autre consiste à souffler simultanément le premier et le second gaz par des ouvertures pratiquées dans un tube double, de manière à mélanger ces gaz au moment o on les souffle. Mais ces procédés demeurent peu satisfaisants en raison de la mauvaise homogénéité du mélnage ou de la complexité de l'appareil servant au mélange, complexité qui est désavantageuse à la fois en ce qui concerne la construction et l'entretien. Le demandeur a procédé à une étude expéri- mentale et il a trouvé une solution au problème exposé ci-dessus. L'invention vise une chambre réactionnelle, ou réacteur, pour réactions catalytiques de gaz, à lit fixe, d'une structure relativement simple avec peu d'écart entre les lits catalytiques, autrement dit un réacteur, qui, tout en ayant de faibles dimensions, assure une très bonne homogénéité du mélange des gaz. De façon plus précise, l'invention a pour objet une chambre réactionnelle pour réactions cata- lytiques munie d'une série de lits de catalyseur tassé, dans laquelle le premier gaz, après avoir traversé une couche amont de catalyseur se mélange à un second gaz avant de traverser une couche aval de catalyseur, caractérisée par le fait qu'elle comprend un appareil mélangeur de gaz constitué par au moins une cloison verticale située sur la face arrière d'une grille sup- portant la couche amont du catalyseur, un tube d'ali- mentation en gaz destiné à fournir ce second gaz et présentant une série d'ouvertures située à l'arrière de cette cloison verticale et une plaque perforée de mélange de gaz présentant une série de fentes ou de perforations installée à l'arrière du tube d'alimen- tation en gaz. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, donnant à titre explicatif mais nullement limitatif, une forme de réalisation avec diverses'variantes. Sur ces dessins, - les Fig. l à 3 illustrent le principe d'une forme de réalisation du réacteur catalytique selon l'invention; plus exactement la Fig. l est une coupe longitudinale avec arrachement partiel,. la Fig. 2 est une vue suivant la direction A-A de la Fig. i et la Fig. 3 est une-vue selon la direction B-B de la Fig. l. - les Fig. 4 et 5 représentent des détails d'une forme possible de réalisation du tube d'ali- mentation en gaz; plus exactement, la Fig. 4 est uen vue de côté avec un arrachement partiel permet- tant de voir l'intérieur et la Fig. 5 est une coupe faite suivant la direction C-C de la Fig. 4. - les Fig. 6A, 6B et 6C représentent diverses formes de réalisation de la cloison verticale, suivant des coupes faites toutes au même endroit de la Fig. 2; - les Fig. 7A à 7E représentent diverses formes de réalisation possibles du tube d'alimentation en gaz, suivant des coupes faites toutes au même endroit de la Fig. 2, les cloisons verticales n'étant pas représentées; - les Fig. 8A et 8B représentent des formes de réalisation de la cloison verticale, différentes de celle qui est représentée sur la Fig. 3; - les Fig. 9A et 9B indiquent les dimensions relatives entre les diverses pièces du réacteur selon l'invention; - la Fig. 10 indique les endroits de prise d'échantillons o on a mesuré la concentration en méthane afin de déterminer l'effet de mélange du mélange de l'air et du méthane (premier gaz) et de l'air (second gaz) suivant un mode de réalisation conforme à l'inven- tion. - les Fig. il et 12 représentent le pourcen- tage de la variation des écarts de la concentration en méthane par rapport à la moyenne, en fonction des diverses positions d'échantillonnage sur la Fig.10; e façon plus précise, les Fig. liA, 11B et liC indiquent les résultats obtenus dans un réacteur de type clas- sique ne comportant pas de dispositif de mélange de gaz selon l'invention, tandis que la Fig. 12 repré- sente les résultats obtenus avec le réacteur selon l'invention. Les positions d'échantillonnage appa- raissent en abscisses. Le réacteur catalytique i se présente comme un récipient 2 en forme de colonne, par la partie supérieure duquel on introduit le premier gaz (en abrégé PrG). Ce premier gaz, après avoir traversé une première couche catalytique 3 à lit fixe et avant d'atteindre la seconde couche catalytique 4, est divisé en plusieurs masses par la cloison verticale 5, et le second gaz (en abrégé ScG) est soufflé dans ce premier gaz, perpendiculairement à celui-ci ou légèrement à contre-courant, par une série d'ouvertures 61 prati- quées dans le tube 6 d'alimentation en gaz, de telle j sorte qu'il se produit un premier mélange de gaz dans chacune de ces masses gazeuses. Les deux gaz sont mélangés ensuite dans l'espace situé au-dessous du tube d'alimentation 6 puis ils sont soumis à un mélange final complet par la plaque perforée 7 de mélange de gaz. La cloison verticale 5 est montée sur la face arrière de la grille 31 supportant la première couche catalytique 3, en une position située sur la ligne centrale diamétrale de la grille. Le volume compris entre cette grille 31 et l'axe géométrique du tube 6 d'alimentation en gaz est appelée première zone de mélange (I), et la hauteur de cette première zone doit être égale au moins à 0,18 fois le diamètre intérieur D du réacteur. La distance entre la grille et la partie supérieure du tube d'alimentation en gaz correspondant à la hauteur indiquée ci-dessus de la première zone de mélange doit, tout en étant fonction du diamètre du tube, être égale à au moins 0,14 fois le diamètre in- térieur D. Il n'est pas obligatoire que la cloison verticale 5 occupe toute la hauteur de la première zone de mélange (I), mais pour qu'elle joue un rôle efficace, il faut que sa hauteur soit égale à au moins la moitié de celle de cette zone. De préférence, l'orientation des ouvertures 61 pratiquées dans le tube d'alimentation 6 et servant à projeter le second gaz sont orientées de telle manière que la direction prise par ce second gaz (ScG) soit perpendiculaire à celle du courant du premier gaz (PrG) ou soit à contrecourant avec le premier gaz, en faisant avec celui-ci un angle compris entre 90 et 1350. Dans l'exemple représenté sur la Fig. 5, il est prévu trois rangées d'ouvertures faisant respecti- vement des angles de 90 , 112,50 et 350 avec la direc- tion du premier gaz. On a constaté qu'avec une orien- tation à contre-courant faisant 1350 avec le premier gaz, le mélange de gaz se faisait plutôt mal. De plus, dans le cas o le second gaz est de la vapeur d'eau ou un autre corps à température élevée, il est bon de ne pas projeter directement le gaz à température élevée sur la grille, car cela risquerait de l'en- dommager sous l'effet de la chaleur. Les diverses ouvertures, même si elles sont disposées suivant deux ou plusieurs rangées, peuvent bien entendu avoir toutes la même direction. L'essentiel est que le volume du second gaz circulant dans chacune des parties de la section transversale de la colonne, soient aussi uniforme que possible. Pour cela, il est bon de faire appel à un type d'alimentation en gaz et présentant-l'une des formes décrites ci-après et de régler la position, le nombre ou la dimension des ouvertures. Le volume compris entre l'axe géométrique du tube 6 d'alimentation en gaz et la plaque per- forée 7 de mélange de gaz s'appelle seconde zone de mélange (II). On a constaté à la suite d'expé- riences, que la hauteur de cette zone doit être égale à au moins 0,06 fois le diamètre intérieur de la colonne. La plaque perforée 7 de mélange de gaz doit avoir une forme telle qu'elle ne provoque qu'une baisse de pression très faible du premier gaz l'enveloppe du réacteur. Le volume compris entre la plaque perforée 7 de mélange de gaz et la face supérieure de la seconde couche catalytique 4 est appelé troisième zone de mélange (III), et la hauteur de cette troisième zone doit être égale à au moins 0,12 fois le diamètre intérieur D du réacteur. La chambre réactionnelle ou réacteur, pour réactions catalytiques selon l'invention permet d'obtenir un mélange très homogène de gaz grade à l'utilisation de l'appareil mélangeur décrit ci- dessus. Cela représente l'avantage le plus important permettant d'obtenir une réaction catalytique effi- cace ayant pour résultat d'améliorer le taux de conversion des éléments de la réaction dans le réacteur. De plus, il est possible de diminuer le volume compris entre les couches catalytiques néces- saires pour l'obtention d'un mélange très homogène. Le total des valeurs les plus faibles des hauteurs des zones de mélange I, Il et III ne représente que 0,36 fois le diamètre intérieur de la colonne. On n'aurait jamais pu jusqu'à présent, imaginer de pouvoir obtenir un mélange aussi satisfaisant dans un volume aussi faible. L'invention fournit donc des réacteurs qui, bien que n'ayant que des dimensions faibles, permettent d'obtenir des résultats satis- faisants. Comme on le voit d'après la description qui précède, l'invention peut comporter diverses formes de réalisation, que les spécialistes pourront faci- lement mettre en oeuvre. C'est ainsi par exemple que la cloison ver- ticale 5 ne se limite pas à la-forme de réalisation représentée sur les Fig. l et 2, à savoir une cloison unique au centre de la colonne; bien au contraire, on peut prévoir plusieurs cloisons parallèles, dis- posées en croix ou constituant des cylindres concen- triques, comme le montrent respectivement les Fig. 6A, 6B et 6C. De plus, le tube 6 d'alimentation en gaz peut avoir une configuration différente de celle des deux tubes disposés en regard l'un de l'autre sur les Fig. 1 et 2; c'est ainsi par exemple que, de façon plus simple, on peut ne prévoir qu'un seul tube (Fig. 7A), des tubes disposés en pointe de flèche (Fig. 7B), des tubes disposés en croix (Fig. 7E) assurant le même effet (dans ce dernier cas, le second gaz, ScG, est introduit vers le haut dans la partie en croix); on peut encore prévoir un tube de forme circulaire (Fig. 7C) ou deux tubes semi-circulaires (7D). Il est préférable de prévoir une association convenable de la cloison verticale et du tube d'ali- mentation en gaz. Comme associations avantageuses, on peut citer: la Fig. 6A associée à la Fig. 7A; la Fig. 6B associée à la Fig. 7B ou à la Fig. 7E, et la Fig. 6C associée à la Fig. 7C ou 7D. La plaque perforée 7 de mélange de gaz peut revêtir diverses formes. Enplus de la forme de réalisation représentée sur la Fig. 3, on peut men- tionner: la grille représentée sur la Fig. 8A et la plaque perforée représentée sur la Fig. 8B. Une telle grille peut être constituée par deux plaques à fentes qui se touchent ou non. Dans les cas o le réacteur comporte au moins trois lits catalytiques et o le second et le troisième gaz sont introduits, en vue de leur mélange, entre ces lits, il est préférable d'utiliser l'appa- reil de mélange de gaz selon l'invention dans chaque espace entre les lits. EXEMPLE On réalise la chambre réactionnelle ou réacteur, pour réactions catalytiques ayant la struc- ture représentée sur les Fig. 1 à 3 en donnant aux dimensions des pièces (indiquées par des lettres sur les Fig. 9A et 9B) les valeurs numériques suivantes, et en bourrant les lits catalyseurs à l'aide d'un produit catalyseur: d= 0,084 D 11 =0,14 D 12 = 0,022 D 13 =0,182 D 14 =0,224 D 15 = 0,17 D 16 = 0,042 D 17 = 0,028 D La surface des ouvertures pratiquées dans la plaque perforée de mélange de gaz représente 48 % de la surface totale. On prépare le premier gaz en ajoutant à de l'air du méthane dans la proportion de 500 parties pour mille, ce gaz étant introduit par la partie supérieure du réacteur suivant un débit compris entre 0,40 et 0,77 m/sec. Le second gaz, qui est simplement de l'air, est introduit dans le tube d'alimentation suivant un débit compris entre 46,5 et 63 m/sec. Le rapport, en volumes, entre le premier gaz et le second est de 10/8. Afin de connaître la qualité du mélange de ces gaz, on prélève des échantillons à la surface supérieure de la seconde couche catalytique et l'on mesure leur teneur en méthane. Les endroits o l'on effectue les mesures (c'est-à-dire o l'on prélève les échantillons) se trouvent sur les trois lignes X-X, Y-Y et Z-Z (Fig. 10), chacune de ces lignes comportant onze points de prélèvement. On calcule ensuite, d'après les résultats obtenus, les écarts par rapport à la concentration moyenne en méthane, aux divers points indiqués ci- dessus. La courbe 12 indique les résultats obtenus. En vue d'une étude comparative, on a effectué les mêmes expériences pour les cas suivants A: on n'utilise ni cloison verticale, ni tube d'ali- m-entation à gaz, ni plaque perforée de mélange de gaz. B: on n'utilise que le tube d'alimentation en gaz, en se dispensant de la cloison verticale et de la plaque de mélange; et C: on utilise le tube d'alimentation à gaz et la plaque perforée de mélange de gaz, sans la cloison verticale. On calcule de la même manière les écarts de la concentration en méthane. Les courbes donnant les résultats sont représentées sur les Fig. liA, 11B et liC. Il résulte d'une comparaison entre les courbes des Fig. liA, llB et liC et celles de la Fig. 12 que les irrégularités des concentrations en méthane aux points o sont effectuées les mesures sont plus faibles dans le cas du réacteur catalytique selon l'invention qu'avec des réacteurs classiques et que, par suite, le mélange des gaz s'effectue de façon satisfaisante. REVENDICATIONS 1. Chambre réactionnelle (1) pour réactions catalytiques munie d'une série de lits de catalyseur tassé, dans laquelle le premier gaz, après avoir tra- versé une couche amont (3) de catalyseur se mélange à un second gaz avant de traverser une couche aval (4) de catalyseur, caractérisée par le fait qu'elle comprend un appareil mélangeur de gaz constitué par au moins une cloison verticale (5) située sur la face arrière d'une grille supportant la couche amont (3) du cataly- seur, un tube (6) d'alimentation en gaz destiné à four- nir ce second gaz et présentant une série d'ouvertures située à l'arrière de cette cloison verticale et une plaque perforée (7) de mélange de gaz présentant une série de fentes ou de perforations installée à l'arrière du tube d'alimentation en gaz.. 2. Chambre réactionnelle pour réactions catalytiques selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la hauteur de la première zone de mélange (I), formée ou correspondant à l'espace entre la face arrière de la couche amont (3) de catalyseur et l'axe géométrique du tube d'alimentation (6) destiné au second gaz est égale à au moins 0,18 fois le diamètre intérieur de cette chambre et par le fait que la hauteur de ladite cloison verticale (5) est égale à au moins la moitié de la hauteur de ladite première zone de mélange (I). 3. Chambre réactionnelle pour réactions cata- lytiques selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la hauteur de la seconde zone de mélange;II), entre l'axe géométrique du tube (6) d'alimentation en gaz et la plaque perforée (7) de mélange de gaz est égale à au moins 0,06 fois le diamètre intérieur de cette chambre. 4. Chambre réactionnelle pour réactions cata- lytiques selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la hauteur de la troisième zone de mélange (3), entre la plaque perforée (7) du mélange de gaz et la couche aval (4) de catalyseur est égale à au moins 0,12 fois le diamètre intérieur de cette chambre. 5. Chambre réactionnelle selon la revendication 1, caractérisée en ce que la hauteur de la première zone de mélange formée entre la face arrière du lit de cata- lyseur amont et l'axe du second tube d'alimentation en gaz est au moins égale à 0,18. fois le diamètre intérieur de la chambre réactionnelle, et la hauteur de la cloison lo verticale est au moins égale à la moitié de la hauteur de la première zone de mélange; la hauteur de la se- conde zone de mélange formée entre lraxe du tube d'ali- mentation en gaz et la plaque de répartition du gaz est au moins égale à 0,06 fois le diamètre intérieur de la chambre réactionnelle; et la hauteur de la troisième zone de mélange formée entre la plaque de répartition du gaz et la face supérieure du lit du catalyseur aval est au moins égale à 0,12 fois le diamètre intérieur de la chambre réactionnelle. 6. Chambre réactionnelle pour réactions cata- lytiques selon l'une quelconque des revendications l à , caractérisée par le fait que les ouvertures (61) du tube d'alimentation (6) pour le second gaz font un angle compris entre 90 et 1350 avec le courant du premier gaz et dirigent donc ce second gaz à contre-courant avec le premier, et par le fait que plusieurs tubes d'alimentation en gaz sont répartis entre divers seg- ments de la première zone de mélange constitués par plusieurs cloisons verticales ou que la position, le nombre ou le diamètre des ouvertures sont choisis de telle manière que le second gaz puisse se répartir en quantités proportionnelles aux surfaces transver- sales de ces segments. 7. Chambre réactionnelle pour réactions cata- lytiques selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisée par le fait que la surface des ouver- tures pratiquées dans la plaque perforée (7) de mélange de gaz représente 35 à 60 % de la surface totale de cette plaque. 8. Chambre réactionnelle pour réactions catalytiques selon l'une quelconque des revendications l à 5, caractérisée par le fait que ladite plaque per- forée (7) de mélange de gaz comporte toute une série de fentes et que l'orientation de ces dernières est appro- ximativement perpendiculaire à la direction de courant du second gaz à sa sortie du tube d'alimentation (6). 9. Chambre réactionnelle pour réactions catalytiques selon la revendication 8, caractérisée par le fait que la plaque de mélange (7) munie de fentes présente une surface (71) en forme de demi-cercle sans ouvertures, en regard de la partie servant à fixer le tube d'alimentation (6) destiné au second gaz, sur l'enveloppe de cette chambre. 10. Chambre réactionnelle pour réactions cata- lytiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée par le fait que les couches de cataly- seur sont au nombre d'au moins trois et par le fait que les cloisons verticales (5), les tubes d'alimentation (6) pour le second gaz et les plaques perforées (7) de mélange de gaz sont répartis dans les divers espaces compris entre ces couches de catalyseur. 11. Chambre réactionnelle pour réactions catalytiques selon l'une quelconque des revendications i à 10, caractérisée par le fait que le premier gaz est de l'éthylbenzène et que le second gaz est de la vapeur d'eau, cette chambre réactionnelle étant destinée à l'obtention de styrène par déshydrogénation catalytique.