Brevet FR2474337A1 — publié le 19810731

La présente invention est relative à la distribution d'un fluide dans la zone de réaction d'un réacteur catalyti- que. Le distributeur de fluide suivant l'invention est des- tiné à être utilisé dans des traitements largement répandus dans les industries du pétrole et- de la pétrochimie et en par- ticulier dans les traitements qui comportent l'utilisation de zones de réaction catalytique à lit fixe. Le dispositif de distribution de fluide suivant l'invention est applicable à la distribution d'un fluide chauffant dans une masse de cata- lyseur dans le cas d'un processus principalement endothermi- que ou à la distribution d'un courant de refroidissement dans une masse de catalyseur dans le cas d'un processus exothermi- que. Le distributeur, applicable aux traitements exécutés en phase vapeur, en phase liquide et en phase mixte, sert à in- troduire dans la zone de réaction un courant de liquide, un courant de vapeur ou un courant mixte vapeur/liquide. Pour un but de clarté et de brieveté, mais sans intention de limi- ter l'invention, la description et l'exposé ci-après concer- neront l'introduction d'un courant de refroidissement à l'é- tat de vapeur dans un processus exothermique qui est conduit en phase mixte. Les réactions de conversion des hydrocarbures en phase mixte se produisent généralement sous la forme de processus exothermiques dans lesquels la charge fraîche prédomine dans les hydrocarbures dont le point d'ébullition est supérieur à celui de l'essence ou à l'intervalle d'ébullition du naphta, c'est-à-dire au-dessus d'une température de 204 OC à la pres- sion atmosphérique, Fréquemment, le courant de réactifs en phase mélangée est comiposé de constituants hydrocarbures li- quides et d'une phase vapeur riche en hydrogèna. Les matières premières comprennent des fractions Kerosene, des gazoles lé- gers et lourds(obtenus par distillation à la pression atmos- phérique ou sous vide) et des huiles lourdes asphalténiques contenant des constituants qui bouillent à une température supérieure à environ 566 'C. Naturellement, les possibilités d'application de l'invention ne sont fondées, ni sur une ma- tière première hydrocarbonée particulière, ni sur une ou des réactions particulières mises en oeuvre. Ces réactions com- prennent l'hydrocraquage, l'hydrogénation, la désulfuration et/ou la désazotation,l'hydrotraitement et divers combinai- sons de ces traitements, qui sont tous consommateurs d'hydro- gène et, par conséquent, de nature principalement exothermi- que. Bien que le distributeur décrit ci-dessus soit capable de distribuer uniformément le courant de réactifs lorsque ce dernier est initialement introduit dans le récipient de réac- tion catalytique, il est principalement destiné à l'introduc- tion à l'intérieur d'un catalyseur d'un courant de fluide d'extincteur ou courant de refroidissement, qu'on désignera dans la suite par'"fluide de refroidissement". Un facteur essentiel pour la réussite d'un traitement en phase mixte et consommateur d'hydrogène est l'uniformité de la distribution du courant de réactif dans toute la masse du lit de particules de catalyseur. Ceci est particulièrement vrai pour les zones intérieures du lit de catalyseur dans lesquelles le courant de refroidissement est introduit. Un contact continu de la phase hydrocarbure avec l'hydrogène dans toute la masse du lit de particules de catalyseur équi- vaut à des réactions consommatrices d'hydrogène. Aux points d'introduction de courant de refroidissement, que ce courant soit à l'état liquide ou à l'état de vapeur, il est égale- ment important de répartir uniformément le courant de refroi- dissement dans le courant de réactifs pour assurer l'unifor- mité, toute aussi importante, du refroidissement du courant de réactifs ou de la transmission de chaleur au courant de refroidissement. Le dispositif de distribution suivant l'in- vention permet d'obtenir facilement les résultats nécessaires. Un but principal de l'invention est de réaliser un dispositif pour distribuer un fluide uniformément dans un lit de particules de catalyseur. -Un but corollaire consiste 2474337. & distribuer uniformément un courant de fluide extérieur dans un courant de réactifs qui traverse un lit fixe de particu- les de catalyseur. Plus précisément, dans une réaction exothermique, un but de l'invention est de permettre d'obtenir un transfert uniforme de la chaleur du courant de réactifs au courant de fluide de refroidissement introduit en un point intermédiaire du lit de particules de catalyseur. Un autre but est d'obte- nir un mélange intime entre un courant de 'fluide extérieur et le courant interne de réactifs. Ces buts de l'invention, ainsi que d'autres sont faci- lement atteints dans une chambre de réaction catalytique à lit fixe par l'utilisation d'un dispositif de distribution de fluide qui, dans une forme de réalisation comprend les éléments suivants, disposés de façon à coopérer:(a) un con- duit d'entrée de fluide, (b) un premierjeu de conduits de distribution de fluide espacés et perforés, qui sont en com- munication libre avec ledit conduit d'entrée de fluide et dis- posés dans un plan perpendiculaire au plan vertical qui con- tient l'axe dudit conduit d'entrée de fluide et,(c) un deu- xième jeu de conduits perforés de distribution de fluide ayant un diamètre nominal supérieur à celui des premiers con- duits de distribution, dont chacun est disposé coaxialement et concentriquement autour de chacun desdits premiers conduits de distribution. Cette forme de réalisation peut en outre ê- tre caractérisée en ce que le dispositif de distribution de fluide occupe entre 60,0 % et environ 90,0 % de la section horizontale de la chambre de réaction. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description détaillée qui va sui- vre. Dans une forme de réalisation, des disques ou rondel- les annulaires espacés dont le grand diamètre est à peu près égal au diamètre intérieur des deuxièmes (ou grands) con- duits de distribution entourent les premiers conduits de dis- 2474337. tribution (ou petits conduits) et sont disposés à peu près perpendiculairement à l'axe longitudinal de ces conduits. Il convient de reconnaître que la technique antérieure comprend une grande diversité de dispositifs de distribution de fluide permettant d'introduire (1) un courant de réactifs en phase mélangée ou en phase unique dans une zone de réac- tion catalytique, (2) un courant de refroidissement ou de chauffage à l'état de vapeur et/ou à l'état liquide en un ou plusieurs points intermédiaires dans un lit fixe de particu- les de catalyseur, et (3) l'effluent en phase mélangée prove- nant d'un lit supérieur de catalyseur dans le lit de cataly- seur immédiatement inférieur. La plupart des dispositifs de distribution de fluide de la technique antérieure utilisent une plaque horizontale à travers laquelle s'étendent un grand nombre de colonnes descendantes. Cette technique est illus- trée par les brevets des E.U.A. 3 146 189; 3 378 349 et 3 524 731. On trouve dans la technique antérieure des dispositifs de distribution similaires à ceux de la présente invention, comme on le voit dans le brevet des EUoA. No 2 632 692. Dans ce cas, le dispositif distributeur est situé dans une région ne contenant pas de catalyseur, comprise entre deux plaques horizontales perforées. Dans cet exemple, le dispositif com- prend deux couronnes toroidales concentriques perforées re- liées entre elles par un conduit transversal qui, à son tour, communique avec le conduit d'entrée qui achemine le fluide de refroidissement, On remarquera que chaque couronne toroi- dale est unitaire, c'est-à-dire que le dispositif ne comporte pas une deuxième couronne toroidale entièrement contenue dans les limites de la première. Le dispositif distributeur décrit dans le brevet des E.U.A. No 2 860 955 ressemble de plus près au dispositif de distribution de fluide suivant l'invention (vue en plan de la Fig. 2 de ce brevet). Ici, le conduit d'entrée introduit tangentiellement le courant de fluide en phase mélangée dans 2474337. une zone de séparation. Les constituants liquides s'écoulent de haut en bas dans un collecteur horizontal qui, à son tour, alimente une série de conduits de distribution perforés dispo- sés perpendiculairement. Ici également, chacun des conduits de distribution est de construction unitaire. Le brevet des E.U.A. No 3 208 833 décrit un dispositif de distribution de fluide qui ressemble à celui du brevet No 2 632 692 décrit plus haut. Toutefois, ici, le dispositif, qui comprend un certain nombre de couronnes perforées coacen- triques de section rectangulaire, est capable d'être balayé en reflux pour l'élimination du fluide retenu. Ces segments annulaires sont reliés entre eux nar un certain nombre d'élé- ments tubulaires creux de faible longueur qui répartissent le fluide d'alimentation dans la totalité des couronnes de dis- tribution espacées. On remarquera également que toutes les couronnes de distribution sont de construction unitaire. Ainsi qu'on l'a indiqué plus haut, le dispositif de distribution de fluide suivant l'invention peut être adapté pour être utilisé dans les réacteurs catalytiques à lit fixe dans lequel les réactions sont effectuées en phase vapeur, en phase liquide ou en phase mélangée. En outre, le dispositif peut être utilisé pour distribuer initialement le courant de réactif dans la chambre de réaction ou pour distribuer un courant d'agent chauffant ou un courant de refroidissement en un ou plusieurs points intermédiaires dans le lit de par- ticules de catalyseur. L'exposé donné ci-après concernera une chambre de réaction exothermique à phase mélangée dans la- quelle le caractère exothermique de la réaction est commandé ou modéré par l'utilisation d'un refroidissement par hydrogè- ne à l'état de vapeur. La distribution d'un courant de re- froidissement dans un lit fixe de particules de catalyseur conformément à l'invention est basée sur la reconnaissance du fait que, jusqu'à présent, on n'avait pas trouvé le moyen d'atténuer les difficultés et les problèmes que posent l'obten- tion (1) d'un mélange uniforme et intime entre le courant de 24743. refroidissement et le courant de réactifs circulant et (2) le transfert uniforme de la chaleur au courant de refroidissement dans toute la surface en section de la zone des particules de catalyseur aux différents points d'introduction de l'agent de refroidissement. Dans la suite de la description de l'invention, on don- nera des intervalles de dimensions et des valeurs particuliè- res de ces dimensions. Il va de soi que ces intervalles et va- leurs particulières des dimensions ne sont données qu'à titre illustratif et non pas limitatif. La forme précise d'un dis- positif de distribution de fluide dépend de nombreuses consi- dérations qui sont relatives au traitement particulier dans lequel le dispositif doit être utilisé. Ces considérations comprennent au moins les suivants: les caractéristiques phy- siques et chimiques de la matière première constituant la charge ou le courant de réactifs; le caractère des réactions qui doivent être effectuées et la qualité désirée du produit; le débit d'introduction de la matière de charge; les dimen- sions de la chambre de réaction catalytique; la quantité de catalyseur disposée dans cette chambre; et le degré exother- mique de la réaction subie. Suivant l'invention, le courant de refroidissement est introduit dans la chambre de réaction par un conduit d'entrée qui communique avec une série de conduits de distribution per- forés,d7ant chacun estlogé dans un conduit extérieur perforé a- yant un plus grand diamètre intérieur nominal. Chaque conduit de distribution de refroidissement est constitué par deux tu- bes perforés coaxiaux et concentriques. Le conduit d'entrée de refroidissement n'est en communication directe qu'avec le conduit de distribution de- petit diamètre ou conduit intérieur et il est aligné sur le diamètre de la chambre de réaction. Des conduits de distribution à deux tubes sont espacés et dis- posés dans un plan qui est perpendiculaire au plan vertical contenant l'axe central du conduit d'entrée du fluide de re- froidissement. Les conduits de distribution de refroidissement 247433.7. peuvent être constitués par des couronnes toroïdales analo- gues à celles décrites dans la technique antérieure ou par des conduits individuels fermés aux deux extrémités. Dans cet- te dernière configuration, Ses axes centraux des conduits de distribution sont disposés suivant des cordes parallèles de la chambre de réaction. Dans les dispositifs de distribution de fluide de re- froidissement plus classiques, on a rencontré des difficultés résultant de la déformation du dispositif à la chaleur ou de l'irrégularité de la charge et de la distribution du cataly- seur. Ceci se traduit par le fait que les conduits débitent dans différentes parties du lit du catalyseur qui fonction- nent à des pressions variables, ce qui conduit à une réparti- tion irrégulière de la chaleur. Par ailleurs, la déformation du dispositif permet au fluide de s'écouler des zones de hau- te pression vers les zones de basse pression, phénomène qui contribue également à une mauvaise répartition de la chaleur ainsi qu'à une irrégularité du mélange dans toute la masse du lit de particules de catalyseur. Les conduits de distribution à deux tubes du dispositif suivant l'invention apportent faci- lement des solutions à ces problèmes. Grâce à la présence du grand conduit extérieur, la déformation est pratiquement inex- istante, même dans des conditions de travail très sévères. La déformation du dispositif et l'irrégularité d'écou- lement résultant de cette déformation sont en outre éliminées par la présence de disques ou rondelles stabilisateurs annu- laires et espacés qui entourent le tube intérieur, et dont le grand diamètre est à peu près égal au diamètre intérieur du conduit extérieur plus grand, et qui sont disposés à peu près perpendiculairement à l'axe longitudinal de ce conduit. Des perforations ménagées dans les conduits intérieurs et ex- térieurs sont contenues dans des chambres intérieures indivi- duelles formées entre les disques des diverses paires de dis- ques stabilisateurs. Le fluide de refroidissement débité par une perforation donnée du tube intérieur ne peut donc être introduit dans le catalyseur qu'à travers les perforations du conduit extérieur qui sont situées entre les disques sta- bilisateurs de la même paire. En outre, il se forme entre les perforations,des zones stagnantes annulaires qui tendent à s'opposer au transfert de la chaleur au fluide de refroi- dissement. En d'autres termes, le fluide de refroidissement ne s'échauffe pas lorsqu'il parcourt le conduit de distribu- tion intérieur en se dirigeant vers les extrémités de ce der- nier. Les dispositifs de distribution de fluide sont étudiés pour représenter une perte de charge d'environ 0,3 à environ 1,0 atm à travers les perforations du petit conduit ou con- duit intérieur, qui ont un diamètre d'environ, 0,8 à envi- ron 4,0 mm. Les perforations du conduit intérieur sont dispo- sées à 900 par rapport à l'axe vertical et, généralement, deux de ces perforations sont prévues seulement dans chaque chambre intérieure individuelle délimitée par deux disques stabilisateurs. Les perforations du conduit de distribution extérieur plus grand ont un diamètre nominal d'environ 16 mm à environ 22 mm et elles sont de préférence chanfreinées vers l'intérieur (vers le centre du conduit). Ces perfora- tions sont 30 par rapport à l'axe vertical et chaque chambre intérieure individuelle contient de deux à environ quatre perforations du conduit extérieur. Les petits trous sont donc disposés de manière à projeter à partir du conduit intérieur sur une surface interne non perforée du conduit extérieur. L'ensemble du dispositif de distribution de fluide occupe entre environ 60,0 % et environ 90,0 So de la section horizon- tale du lit de particules de catalyseur. Le rapport du dia- mètre du conduit extérieur à celui du conduit intérieur est compris dans l'intervalle allant d'environ 2,0: 1,0 à envi- ron 4,0: 1,0. Lorsqu'on injecte les vapeurs de refroidissement à grande vitesse dans le lit de catalyseur, il est nécessaire de prendre des précautions pour éviter une usure excessive des particules de catalyseur. Dans le cas du dispositif de distribution de fluide suivant l'invention, la vitesse des vapeurs qui sortent des trous du conduit intérieur est cassée par projection contre une zone non perforée du conduit exté- rieur. Si l'on entoure le tube extérieur d'un écran perforé, on casse à nouveau la vitesse au moment o les vapeurs sont débitées dans le lit de catalyseur. On obtient un mélange intime et uniforme entre le fluide de refroidissement et le courant de réactifs intérieur en disposant les perforations du conduit extérieur à 300 par rapport aux extrémités supe- rieure et inférieure de l'axe vertical. Ceci favorise l'é- coulement du courant de réactifs aux points précis d'intro- duction du fluide de refroidissement. L'agencement suivant l'in- vention tire parti de l'effet de jet des vapeurs de fluide de refroidissement sortant à travers les petites perforations pour faire circuler efficacement le courant de réactifs à travers les chambres intérieures individuelles comprises entre les paires de disques stabilisateurs. En outre, l'ensemble du dispositif de refroidissement obture une partie importante de la section du lit de catalyseur, de sorte qu'il se produit une perte de charge relativement arande à travers le lit de catalyseur dans les espaces compris entre les différents con- duits de refroidissement. Cette perte de charge a également pour effet d'inciter le courant de réactifs à s'écouler de préférence par les espaces annulaires au droit des points de refroidissement plut6t qu'à travers le catalyseur. Pour continuer à décrire le dispositif de distribu- tion de fluide suivant l'invention, on se référera aux dessins annexés qui montrent les diverses formes de réalisation de ce dispositif. Etant donné que les dessins ne sont présentés que dans le seul but de permettre de comprendre clairement l'agencement du distributeur, sa construction et son mode de fonctionnement, ils n'ont pas été dessinés à une échelle pré- cise. Ainsi qu'on l'a indiqué plus haut, les dimensions de chaque dispositif particulier dépendent d'une grande diversité de considérations de traitement ainsi que des dimensions par- ticulières de la chambre de réaction catalytique. Dans un dispositif donné, destiné à être utilisé dans une chambre de réaction catalytique ayant un diamètre inté- rieur effectif d'environ 3,7 m, on utilise 25 conduits de distribution à double tube. Ces conduits sont disposés sur des centres d'environ 12,7 cm, avec environ 3,8 cm entre les conduits adjacents. Le conduit intérieur a un diamètre d'en- viron 2,54 cm et les trous percés dans ce conduit ont un dia- mètre d'environ 1,6 mm; le conduit extérieur a un diamètre de 7,6 cm et les trous percés dans ce conduit ont un diamètre de 1,9 cm. Dans chacune des chambres intérieures individuel- les délimitées chacune par une paire de disques stabilisateurs espacés de 2,54 cm, il est prévu deux trous de 1,6 mm et qua- tre trous de 1,9 cm. Les trous sont espacés de 7,6 cm de cen- tre à centre suivant l'axe du conduit. Sur les dessins annexés, la Fig. 1 est une vue en plan du dispositif de distribution de fluide 1 logé dans une chambre de réaction catalytique 2. Le courant de fluide de refroidissement est introduit par un orifice d'entrée 3 et un conduit d'entrée 4. Dans cette illustration d'une forme pré- férée de réalisation, le conduit d'entrée de fluide 4 est re- présenté traversant la zone de réaction par le centre et a une longueur à peu près égale au diamètre de cette zone. Plu- sieurs conduits de distribution de fluide, qui comprennent un tube extérieur 5 et un tube intérieur 6 plus petit, sont disposés au-dessous du conduit d'entrée 4 et se trouvent dans un plan commun qui est perpendiculaire à un plan vertical con- tenant l'axe central du conduit d'entrée. Ainsi qu'on l'a re- présenté clairement sur la Fig. 2, le conduit d'entrée de fluide 4 ne communique directement qu'avec les conduits de distribution intérieurs 6, par l'intermédiaire de raccords réducteurs (ou raccords union) 7. Dans la vue en plan de la Fig. 1, l'ensemble du dispositif occupe approximativement 80 / de la section de la chambre de réaction catalytique 2. 2474337. La Fig. 2 est une vue en élévation et en partie en coupe prise approximativement suivant la ligne 2-2 de la Fig. 1. Le courant de fluide de refroidissement passe du conduit d'entrée 4 aux conduits de distribution intérieure 6 par des tubes verticaux courts 8, les raccords réducteurs 7 et des tubes 9; les tubes 9 sont verticaux et généralement de la même dimension que les conduits 6. Deux trous 6a décalés de 1800 l'un par rapport à l'autre projettent le courant de re- froidissement sur une partie non perforée du conduit de dis- tribution extérieur 5 qui présente 4 trous 5a décalés de 30 par rapport à l'axe vertical. Les positions relatives dans l'espace des conduits de distribution 5 et 6, ainsi que celles des trous Sa et 6a, sont représentées sur les Fig. 3 et 4, qui sont dessinées à plus grande échelle pour plus de clarté. On a également re- présenté sur ces vues un disque stabilisateur 10 et l'écran perforé 11 qui entoure le conduit de distribution extérieur 5. L'effet de jet du fluide de refroidissement sortant à tra- vers les trous Sa fait effectivement circuler le courant de réactifs à travers les trous 6a comme le ferait une pompe et le fluide de refroidissement se mélange intimement avec ce courant grâce au fait qu'il est projeté contre la partie non perforée du conduit extérieur 5. Les trous lla de l'écran per- foré Il sont dimensionnés de manière à empêcher les particu- les de catalyseur de les traverser. La Fig. 5 est une vue en élévation latérale du conduit de distribution intérieur 6 comportant les disques stabilisa- * teurs ou rondelles 10. Comme on l'a indiqué, les paires adja- centes de tels disques séparent efficacement les trous 6a les uns des autres. La Fig. 6 montre plus clairement les cham- bres intérieures individuelles 18 qui sont délimitées par les paires de disques stabilisateurs 10. Un disque stabilisateur lOa est monté de la façon représentée pour dévier le courant de fluide de refroidissement passant dans le tube 9 de maniè- 2474337. re qu'il parcoure la totalité de la longueur du conduit de distribution intérieur 6. Entre les paires de disques sta- bilisateurs sont formées des zones stagnantes 12. 2474337. R E V E NT D I C A T I O N S 1 - Dispositif de distribution de fluide destiné à ê- tre monté dans une chambre de réaction catalytique contenant un lit fixe de particules de catalyseur, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'i comprend, disposés de façon à coopérer ensemble, (a) un conduit (4) d'entrée de fluide, (b) un pre- mier jeu de conduits perforés (6) de distribution de fluide espacés communiquant librement avec ledit conduit d'entrée de fluide (4) et disposés dans un plan perpendiculaire au plan vertical qui contient l'axe du conduit (4) d'entrée de fluide, (c) un deuxième jeu de conduits perforés (5) de dis- tribution de fluide qui ont un diamètre nominal supérieur à celui des premiers conduits de distribution de fluide, cha- cun de ces conduits étant disposé coaxialement et concentri- quement autour de l'un correspondant desdits premiers conduits de distribution. 2 - Dispositif de distribution de fluide suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premiers et deuxièmes conduits de distribution de fluide sont disposés au-dessous dudit conduit d'entrée de fluide. 3 - Dispositif de distribution de fluide suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les perforations des conduits du deuxième jeu ont un diamètre supérieur à celui des perforations des conduits du premier jeu. 4 - Dispositif de distribution de fluide suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des disques stabilisateurs annulaires espacés dont le grand diamètre est à peu près égal au diamètre intérieur des deu- xièmes conduits de distribution entourent les premiers con- duits de distribution et sont disposés à peu près perpendicu- lairement à l'axe de ces conduits. - Dispositif de distribution de fluide suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chacun des deuxièmes conduits de distribution est enfermé dans un écran cylindrique perforé. 6 - Dispositif de distribution de fluide suivant l'une quelconque dés revendications 1 à 5,caractérisé en ce que les perforations des deuxièmes conduits de distribution sont chanfreinées vers l'intérieur. 7 - Dispositif de distribution de fluide suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les perforations des premiers conduits de distribution de fluide sont disposées de manière à permettre une projection contre une partie non perforée des deuxièmes conduits de dis- tribution. 8 - Dispositif de distribution de fluide suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les perforations des premiers conduits de distribution sont disposées à 900 par rapport à l'axe vertical et en ce que les perforations des deuxièmes conduits de distribution sont disposées à 300 par rapport à l'axe vertical. 9 - Dispositif de distribution de fluide suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les paires successives de disques stabilisateurs forment, sur la longueur du premier et du deuxième conduits, des chambres intérieures distinctes dont chacune contient des perforations du premier et du deu- xième conduits de distribution. - Dispositif de distribution de fluide suivant l'u- ne quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il occupe entre environ 60,0 So et environ 90,0 % de la section horizontale de la chambre de réaction.