Brevet FR2484864A1 — publié le 19811224

L'invention concerne un distributeur d'alimen- tation d'un réacteur,destiné notamment à des réacteurs à courant ascendant dont la charge d'alimentation est consti- tuée de courants à phases mélangées. Le distributeur est particulièrement utile dans des réacteurs de liquéfaction catalytique du charbon devant pouvoir être alimentés par des charges constituées de gaz, de liquides et de solides. Dans de nombreux procédés, un réacteur à courant ascendant est supérieur à la plupart des réacteurs communs à courant descendant. Ceci est particulièrement vrai dans les cas o une charge liquide contient également des solides, car ces derniers tendent à s'entasser et à former des obstructions dans le mode à courant descendant. Les problèmes sont en outre amplifiés si le courant de charge est consti- tué de gaz aussi bien que de solides et de liquides. Des réacteurs à courant ascendant sont communé- ment utilisés dans des systèmes de liquéfaction du charbon, par exemple dans le procédé de liquéfaction décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4 083 769. Comme décrit dans ce brevet, de l'hydrogène, du charbon broyé et un sol- vant sont préchauffés et dirigés vers une unité de dissolu- tion dans laquelle le charbon est sensiblement dissous à une température de l'ordre de 37954820C et sous une pression de l'ordre de 21,7-35 MPa. L'unité de dissolution est une cuve vide de réacteur à courant ascendant qui ménage un temps de séjour suffisant pour dissoudre les particules de charbon broyées. Le solvant, le charbon dissous, le résidu de charbon et l'hydrogène provenant de l'unité de dissolution sont dirigés vers un réacteur d'hydrogénation catalytique à courant ascendant, fonctionnant à une température infé- rieure de 13,9-83,30C à celle de l'unité de dissolution. Etaht donné que l'hydrogène est mélangé à la suspension de charbon avant l'étape de préchauffage afin d'éviter la formation de coke dans le réchauffeur, le con- trôle exercé sur le degré de mélange du liquide et du gaz se produisant dans l'unité de dissolution ou dans le réac- teur catalytique est faible ou nul. Dans le cas d'un courant à phases multiples, un cheminement des gaz et/ou un bouil- lonnage peuvent se produire dans ces unités. La présence de l'une ou l'autre de ces conditions est indésirable, car ces deux phénomènes peuvent entraîner une mise en contact inadéquate des corps réactionnels et le bouillonnage peut également engendrer des vibrations détériorant les équipe- ments. En outre, un mélange impropre de l'hydrogène peut conduire à la formation de coke à partir des corps réaction- nels et à un encrassement des équipements dans les condi- tions de traitement décrites. Il apparait donc nécessaire de disposer d'un distributeur pouvant accepter des courants de charge cons- titués de liquides, de gaz et de solides et pouvant répartir uniformément les phases sans obturation ni détérioration sous l'effet de l'érosion. Bien que de nombreux distributeurs à phases mélangées soient connus dans l'art antérieur, tels que ceux décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N- 3 524 731, N0 4 111 663, N0 3 146 189, N0 3 195 987 et N0 4 187 169, il subsiste la nécessité d'apporter une solu- tion efficace et économique à ce problème. L'invention concerne un distributeur d'alimenta- tation en gaz-liquides ou gaz-liquides-solides d'une cuve de réacteur à courant montant, présentant un orifice d'entrée de charge ménagé dans sa partie inférieure et un orifice de sortie d'un effluent ménagé dans sa partie supérieure. Le distributeur comprend une plaque disposée à peu près hori- zontalement et montée dans la cuve, entre les orifices d'entrée et de sortie. La plaque est traversée de plusieurs trous et elle comporte au moins un tube descendant qui com- munique avec le volume de la cuve du réacteur situé au-dessous de la plaque et avec le volume de la cuve du réacteur situé au-dessus de la plaque. L'aire de la section des perfora- tions de la plaque et l'aire de la section et la longueur du tube sont calculées de manière que, dans des conditions d'équilibre de l'alimentation, une poche de gaz se forme au-dessous de la plaque à une hauteur inférieure ou égale à la longueur du tube. Pratiquement la totalité, c'est-à- dire au moins 75 % et de préférence plus de 95 %, des gaz de charge passent par les trous de la plaque et pratique- ment la totalité, c'est-à-dire au moins 75 % et de préfé- rence plus de 95 %, du liquide de charge ou du liquide et des solides de charge passent par le tube. Le distributeur selon l'invention est de préfé- rence utilisé dans un réacteur qui contient un lit fixe ou mobile de particules de catalyseur destiné à répartir uni- formément le gaz et le liquide, ou bien le gaz, le liquide et les solides, à travers le lit de catalyseur. Cependant, le distributeur peut être utilisé avantageusement dans des cuves non catalytiques telles que des unités de dissolution, afin d'assurer un bon contact de l'hydrogène gazeux avec les liquides et les solides pour empêcher la formation de coke à l'intérieur de la cuve. Des moyens sont de préférence également prévus pour empêcher le passage vertical direct de bulles de gaz de charge dans l'extrémité inférieure du tube. Si le distri- buteur est utilisé dans une cuve de réaction catalytique, il doit être placé suffisamment bas, au-dessous du niveau le plus bas du catalyseur, pour que toute digitation des gaz se produisant soit totalement délimitée à l'intérieur du volume de liquide situé immédiatement au-dessous du catalyseur. Bien qu'un seul distributeur puisse suffire dans certains réacteurs, en pratique industrielle, plusieurs distributeurs sont en général espacés verticalement dans un réacteur, sur toute sa longueur. Le distributeur selon l'invention convient en outre particulièrement à des applications de refroidisse- ment ou d'extraction de gaz. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective, avec coupe partielle, d'un réacteur catalytique à lit fixe et courant ascendant, comportant un seul distributeur selon l'invention; et la figure 2 est une vue en perspective, avec coupe partielle, d'un réacteur catalytique à lit fixe et courant ascendant, comportant plusieurs distributeurs selon - 4 l'invention et conçu pour permettre une injection de gaz entre les distributeurs. La figure 1 représente une cuve 10 de réacteur, orientée verticalement et présentant un orifice inférieur 20 d'entrée de charge et un orifice 30 de sortie d'un effluent. Un lit fixe de particules de catalyseur poreux est maintenu dans la cuve, entre une grille inférieure de support, fixée à la paroi intérieure de la cuve 10 et, si cela est souhaité, un tamis 60 de retenue du cata- lyseur, également fixé à la paroi intérieure de la cuve. Le distributeur selon l'invention, indiqué globalement par la référence numérique 70, est fixé à la paroi intérieure de la cuve 10, entre l'orifice 20 d'entrée et la grille 50 de support du catalyseur. Le distributeur peut être fixé à la paroi de toute manière convenable ou classique, par exemple par soudage ou boulonnage. Le distributeur 70 comprend une plaque 80 qui s'étend sur toute la section droite de la cuve 10. La plaque est traversée de plusieurs perforations ou trous 90. Les perforations sont de préférence réparties uniformément sur toute l'aire de la section de la plaque, à raison d'environ -250, ou de préférence, d'environ 40-250 perforations par m2. Un tube 100 ouvert à ses extrémités est fixé clas- siquement à la plaque 80 et part vers le bas d'une ouver- ture centrale de ladite plaque. Bien qu'un seul tube soit représenté sur la figure, il est possible, sans sortir du cadre de l'invention, d'utiliser plus d'un tube si cela est exigé par les conditions d'alimentation ou la dimension du réacteur. On utilise de préférence environ 10 ou 20 tubes par m2 de surface de la plaque. Un chapeau 110 est placé à l'extrémité inférieure du tube 100 afin d'empêcher des gaz de la charge de s'élever directement dans ce tube. Bien que le chapeau 110 soit re- présenté comme étant fixé classiquement à l'extrémité du tube 100 au moyen d'une patte 120 prolongeant ce dernier, il peut être remplacé par un déflecteur équivalent fixé à la paroi de la cuve. Il est également possible de décaler l'orifice d'entrée par rapport à l'extrémité du tube 100 de manière à éliminer le problème. Dans le cas o un chapeau est utilisé comme représenté sur la figure, son diamètre est de préférence supérieur d'environ 20 % au diamètre du tube. Lorsque plusieurs distributeurs sont montés dans une cuve, les distributeurs supérieurs peuvent ne pas nécessiter de chapeau pour empêcher l'introduction de quantités impor- tantes de gaz dans le tube. Pendant le fonctionnement, un courant de charge à phases mélangées, comprenant de préférence des composants liquides, gazeux et solides, tel que le courant de charge pouvant être dirigé vers une unité de dissolution ou un réacteur catalytique d'une unité de liquéfaction du charbon, est refoulé ou autrement introduit dans le fond de la cuve par l'orifice 20 d'entrée. Conformément à l'invention, le distributeur est conçu en fonction des conditions d'alimentation de manière qu'une poche de gaz ou un espace 130 de vapeur, ayant une hauteur h sensiblement égale ou inférieure à la longueur sur laquelle le tube 100 dépasse au-dessous de la plaque, se forme dans des conditions de régime stable et que pra- tiquement la totalité, c'est-àddire au moins 75 %, des gaz et vapeurs de la charge passe par les trous 90, pratique- ment la totalité des liquides et solides de la charge pas- sant par le tube 100. Il convient de noter que le circuit d'écoulement demandé pour les gaz et les liquides est obtenu si la chute de pression de l'écoulement de la phase vapeur par les trous est compensée par la chute de pression de l'écoulement des liquides et des solides par le tube IaG, augmentée de la différence de pression statique entre les liquides et les solides de hauteur h et de la poche de gaz, c'est-à-dire la charge statique des liquides et des solides dans le tube. La chute de pression due à l'écoulement des gaz à travers une plaque perforée peut être prévue par l'équa- tion portant sur les orifices. Si la chute de pression du liquide et des solides dans le tube est négligeable, la chute de pression des gaz peut être simplement équilibrée par rapport à la différence de pression statique, égale à (plfpg)h, o P1 est la densité du courant de liquide et de solides passant dans le tube et pg est la densité du gaz. Le distributeur est de préférence conçu de manière que la valeur minimale de h soit d'environ 5-10 cm. Il est préférable que h ait une valeur d'environ 10-20 cm et que la longueur nominale du tube soit choisie comme étant à peu près égale à 20 cm. Ces valeurs permettent de tolérer des variations substantielles des débits de vapeur et, par con- séquent, des hauteurs de la poche de gaz. Aux débits d'écou- lement nominaux, ces valeurs assurent également le maintien de l'extrémité inférieure du tube sensiblement au niveau ou au-dessous du niveau de la surface du liquide, afin d'empê- cher une entrée importante de gaz dans le tube lorsque la surface du liquide est agitée. La surface supérieure de la plaque perforée horizontale est de préférence disposée à environ 3-10 cm au-dessous de la grille inférieure 50, suivant la croissance des bulles de gaz. Bien que la forme préférée de réalisation ait été décrite en particulier dans l'application à l'alimentation d'unités de liquéfaction du charbon, il est évident que le distributeur selon l'invention peut être utilisé dans tout système alimenté par des charges de gaz-liquide ou. par des charges de gaz-solides-liquides. En outre, si l'unité doit être utilisée comme équipement de refroidissement de gaz, il suffit que le gaz soit injecté au-dessous de la plaque 80 pour que l'on obtienne une distribution tout à fait uniforme. La figure 2 représente une forme de réalisation de l'invention comportant plusieurs distributeurs 70 et plusieurs lits 40 de catalyseur. Les lits 40 de catalyseur sont dessinés à une échelle réduite par rapport à la réalité, afin de montrer en détail les distributeurs. Un gaz de re- froidissement, par exemple un gaz recyclé contenant de l'hydrogène pour un processus de liquéfaction catalytique du charbon, est introduit par les orifices 150 dans des espaces 130 de vapeur. Les orifices 150 peuvent être égale- ment utilisés pour extraire le gaz des espaces 130 de vapeur. Si cela est souhaité, le tube 100 peut être prolongé dans la partie supérieure des lits 40 de catalyseur, le catalyseur contenu dans le tube ayant de préférence sensiblement le même niveau que la partie restante du lit de catalyseur. De plus, la poche de gaz peut contenir une certaine partie du catalyseur, si cela est souhaité. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent.être apportées au distributeur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Ensemble à distributeur (70) Met cuve (10) de réacteur à courant ascendant, alimenté par une charge gazeuse-liquide ou par une charge gazeuse-liquide-solide, cette cuve présentant une entrée (20) d'alimentation dans sa partie inférieure et une sortie (30) d'effluent dans sa partie supérieure, l'ensemble étant caractérisé en ce que le distributeur comprend une plaque (80) disposée à peu près horizontalement, montée à l'intérieur de la cuve, entre l'entrée et la sortie et traversée de plusieurs trous (90) et d'au moins un tube (100) qui fait saillie vers le bas et qui communique avec le volume délimité à l'intérieur de la cuve du réacteur, au-dessous de la plaque, ainsi qu'avec le volume délimité dans la cuve du réacteur, au- dessus de la plaque, l'aire de la section droite des trous et du tube étant telle que, dans des conditions équilibrées d'alimentation, il se forme au-dessous de la plaque une poche (130) de gaz ayant une hauteur inférieure ou sensi- blement égale à la longueur du tube, et de manière égale- ment que pratiquement la totalité du gaz d'alimentation dirigé vers le distributeur passe par les trous et que pratiquement la totalité du liquide d'alimentation dirigé vers le distributeur passe par le tube. 2. Ensemble selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la cuve du réacteur comprend en outre un lit (40) de particules solides disposé au-dessous de la sortie d'effluent et au-dessus de la plaque du distributeur. 3. Ensemble selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comporte un élément (110) destiné à empê- cher le passage vertical direct de bulles de gaz d'alimen- tation dans le tube. 4. Ensemble selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comporte plusieurs distributeurs (70) espacés verticalement les uns des autres à l'intérieur de la cuve du réacteur. 5. Ensemble selon la revendication 4, caracté- risé en ce que la cuve du réacteur contient en outre au moins un lit (40) de particules solides disposé au-dessous de la sortie d'effluent et audessus de l'une des plaques des distributeurs. 6. Ensemble selon la revendication 4, caracté- risé en ce qu'il comporte des éléments (110) destinés à empêcher le passage vertical direct de bulles de gaz dans les tubes. 7. Ensemble selon l'une quelconque des revendi- cations 1, 2, 3, 4, 5 et 6, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments (150) destinés à introduire un gaz dans une ou plusieurs desdites poches de gaz. 8. Ensemble selon l'une quelconque des revendi- cations 1, 2, 3, 4, 5, 6.et 7, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments (150) destinés à extraire un gaz d'une ou plusieurs desdites poches de gaz. 9. Ensemble selon l'une quelconque des revendi- cations 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8, caractérisé en ce que la plaque horizontale est fixée à l'intérieur de la cuve.