Brevet FR2519876A1 — publié le 19830722

La présente invention concerne la mise en contact vapeur-solidesdans un lit fluidisé et plus particulièrement la mise en contact gaz-liquide-solides dans un lit fluidisé dans un garnis- sage a rangées ordonnées disposées pour réaliser un mélange limité uniforme et éviter l'agglomération des solides en particules dans une zone de réaction. Les lits fluidisés sont souvent utilisés pour la mise en contact de vapeurs et de solides en particules Ces dispo- sitifs ont des propriétés bien connues, mais la plus importante et la plus significative est que le lit fluide est normalement un lit bien mélangé de particules solides et agit comme un réacteur à cuve agitée en vue des réactions chimiques. Dans le craquage des huiles lourdes en lit fluidisé, comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 2 861 943, on décrit un réacteur multi-zone ayant une zone intermédiaire pour la fluid Isation limitée d'un support en particules et l'élimination des hydrocarbures adsorbés Ce dispositif de la technique antérieure est illustré par la figure 1 ciannexée et comporte deux zones de lits fluidisés qui sont chacune sensiblement isothermes mais fonc- tionnent à des températures différentes Dans ce réacteur, la vapeur passe de bas en haut de la zone 1 à travers une zone à mélange en retour limité comprenant un lit fluidisé et les solides en particules de haut en bas de la zone 2 à travers la zone à mélange en retour limité dans la zone 1 à contre-courant du gaz en écoulement ascen- dant Cette zone empêchée, c'est-à-dire limitée, consiste en un lit de garnissage statistique utilisant des matières telles que des anneaux ou des sphères de Raschig, supporté sur une grille- plaque ayant des ouvertures plus petites que la dimension du maté- riau de garnissage aléatoire Un lit fluidisé de phase dense caractéristique existe dans les deux zones 1 et 2. Dans certains cas, le lit fluidisé peut être décrit comme un lit fluidisé rapide ayant une vitesse superficielle du gaz élevée, comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 840 353 Dans ce dispositif, la direction générale du mouvement des solides est ascendante et les solides sont recyclés dans le réacteur pour maintenir le lit à une densité appropriée Dans ce 19876 type de lit, il existe certains aspects d'écoulement en bloc sans garnissage stationnaire pour donner un mélange limité du gaz et des solides. L'utilisation de ces lit à garnissage stationnaire Impose des limitations indésirables aux procédés gaz-solides, dans lesquels on souhaite avoir une différence de température notable à travers le lit de garnissage, en particulier les procédés de raffinage des charges d'hydrocarbures lourds Egalement, l'utilisa- tion de ce matériau de garnissage stationnairepour lequel les pièces individuelles sont en contact avec des pièces voisines, peut provoquer une agglomération localisée des solides en particules à l'intérieur du lit ou le traversant, par conséquent, une obtura- tion indésirable du lit. L'invention concerne un procédé pour la mise en contact de solides en particules avec un gaz dans une zone à gar- nissage (en rangées) ordonné Le procédé consiste: (a) & faire passer les solides en particules à travers la zone de garnissage en rangées ordonnées ayant plusieurs rangées d'éléments parallèles stationnaires donnant un volume de vide variant entre environ 20 et 80 %; (b) a faire passer un gaz à contre-courant des solides en particules à travers la zone de garnissage à rangées ordonnées pour fluidiser les solides en particules et réaliser un contact intime. entre le gaz et les solides; et (c) à maintenir un mélange limité des solides et du gaz dans la zone de garnissage à rangées ordonnées pour donner une différence de température d'au moins environ ll'C à travers la zone à garnissage. On peut faire passer les solides en particules soit de haut en bas, soit de bas en haut à travers la zone à garnissage à rangées ordonnées, tandis que l'on fait passer le gaz à contre- courant ou dans le même sens que l'écoulement des solides en parti- cules Les solides en particules ont un diamètre d'au moins environ i et la vitesse superficielle du gaz varie d'environ 0,03 à 1,5 mis Dans le procédé, les solides en particules passent à tra- vers la zone à rangées de garnissage ordonnées à une température d'environ 454 à 7600 C et le gaz k une température variant d'environ 19876 L'invention concerne également un réacteur qui comprend une zone supérieure contenant un lit fluidisé de solides en particules, une zone inférieure contenant un lit fluidisé de solides en particules et une zone intermédiaire de garnissage qui consiste en une zone de garnissage à rangées ordonnées d'éléments stationnaires, qui sépare les zones supérieure et inférieure Les éléments qui sont stationnaires sont fixés en rangées horizontales qui sont disposées à un angle de rotation entre elles de O à 900. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descriptionqui va suivre en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement une confi- guration de l'art antérieur d'un lit de garnissage contenant un lit fluidisé pour la mise en contact gaz-solides; les figures 2 a, 2 b et 2 c représentent respectivement une vue en coupe, une vue en plan et une vue de face illustrant des caractéristiques de construction d'une zone de garnissage à rangées ordonnées selon l'invention; et la figure 3 représente schématiquement un réacteur aultizone contenant une zone de garnissage à rangées ordonnées. Le procédé de mise en contact vapeur-solides selon l'invention est généralement mis en oeuvre dans un réacteur ayant deux zones de réaction séparées par une zone de garnissage à rangées ordonnées d'éléments parallèles stationnaires pour réaliser un contact intime vapeur-solides et un mélange en retour empêché, c'est-à-dire limité, des solides en particules et du gaz passant à travers les rangées La disposition de la zone de garnissage à rangées ordonnées permet d'établir un gradient de température entre les zones de réaction et à travers la rangée ordonnée. Dans la zone de garnissage à rangées ordonnées, les éléments stationnaires individuels sont espacés horizontalement les uns des autres, de préférence par l'utilisation d'éléments écarteurs. Les éléments sont ordinairement disposés en plusieurs rangées hori- zontales, qui peuvent avoir chacune des formes de section droite et des espacements variables, les rangées étant espacées verticale- ment. 19876 Le réacteur dans lequel le procédé est mis en oeuvre possède une zone supérieure et une zone inférieure qui sont sépa- rées par la zone de garnissage qui consiste en les rangées ordonnées d'éléments Le transport des solides dans le réacteur peut être de bas en haut depuis la zone inférieure à travers la zone supérieure, ou de haut en bas depuis la zone supérieure à travers la zone inférieure, ou bien il peut y avoir un flux global nul de solides entre les zones supérieure et inférieure. Les solides en particules contenus ou transportés à l'intérieur de la zone de garnissage à rangées ordonnées peuvent être ou non catalytiques Egalement, les éléments de la zone de garnissage à rangées ordonnées peuvent contenir des matières cata- lytiques Ces matières catalytiques seraient choisies de manière à réaliser une réaction chimique caractéristique recherchée A titre d'exemple d'une telle réaction chimique, un gaz provenant de la zone inférieure pourrait consister en un gaz de synthèse conte- nant CO, B 2, H 20 et un catalyseur pourrait être incorporé ou appli- qué aux éléments de la zone de garnissage pour provoquer le dépla- cement de l'équilibre de réaction vers la production de devantage d'hydrogênée Ainsi, l'hydrogène pourrait alors être plus utile dans la zone supérieure - Comme le montre la figure 3, le réacteur complet peut consister essentiellement en garnissage stationnaire, de sorte que la zone 1 et la zone 2 soient réduites à un volume presque nul. Le réacteur complet consisterait alors essentiellement en un lit flui- disé dans une disposition ordonnée dans laquelle on pourrait obtenir des gradients Donc, on obtiendrait un réacteur à lit fluide ayant un gradient, de manière à obtenir par exemple de meilleurs rendements en produits de réaction. La présente invention propose une nouvelle configura- tion de réacteur, dans laquelle un lit fixe de matériau de garnis- sage est utilisé dans une configuration à rangées ordonnées et dans lequel la vapeur et les particules solides sont mises en contact intime Les particules solides peuvent être catalytiques ou non, ainsi qu'absorbantes ou non. Ce type de système de réacteur utilisant des rangées ordonnées permet d'utiliser un lit fluide de solides et d'obtenir 19876 un contact intime entre la vapeur et les particules solides Simul- tanément, il permet l'existence à l'intérieur du lit de gradients qui concernent la température, la concentration, l'age des solides et les dimensions des solides, ou bien le poids spécifique ou les diamètres Comme les particules solides sont en mouvement aléatoire constant, elles peuvent être ajoutées ou retirées en n'importe point du garnissage ordonné, ou bien retirées depuis le haut ou le bas de la zone de garnissage. Selon la présente invention, diverses caractéristiques de la zone dé garnissage à rangées ordonnées peuvent être avantageuse- ment modifiées pour leur adaptation à des applications particulières. Ces caractéristiques comprennent la section des éléments de la zone de garnissage qui peut être en forme de cercle, de carré, de losange, de rectangle ou de triangle, ou n'importe quelle autre forme géo- métrique convenable, l'espacement horizontal entre les éléments de garnissage, et l'espacement vertical entre les rangées d'éléments. Les dimensions des éléments sont des facteurs supplémentaires variables, de mème que l'angle de rotation entre les rangées est une autre variable de la configuration Les éléments peuvent être pleins, creux, avoir une surface rugueuse ou bien être munis d'ai'- lettes. Dans la figure 2, on a représenté plusieurs caracté- ristiques de construction d'une zone de garnissage à rangées ordon- nées selon la présente invention Cette figure illustre deux rangées de barreaux présentant entre elles un angle de rotation de 90 Les rangées d'éléments, par exemple des barreaux, peuvent être disposées à un angle de rotation entre elles de O à 90 a Les supports pour les éléments de la zone de garnissage peuvent être ancrés sur des consoles s'appuyant sur la paroi du récipientou bien peuvent être supportés directement par des poutres horizontales prévues dans le réacteur Les rangées d'éléments peuvent être supportées sur des selles qui maintiendraient les dimensions internes des rangées. de garnissage Le choix approprié des variables dans les rangées; ordonnées permet de réaliser une large gamme de fractions de vide de garnissage, comme un volume de vide variant d'environ 5 à 957. et, de préférence, d'environ 20 à 80 %. 19876 Comme on le voit dans la figure 3, les éléments, par exemple des barreaux, s'étendent sur toute la section du réci- pient du réacteur, ce qui élimine la nécessité d'une grille au- dessous des rangées ordonnées d'éléments Chaque élément, par exemple un barreau, étant autoportant permet un intervalle plus large avec un matériau et une température de fonctionnement donnés. En outre, les dimensions et l'espacement des éléments, par exemple des barreaux, doivent être tels qu'ils permettent le pa sage facile des particules de solides fluidisés Les rangées ordonnées d'éléments peuvent être disposées de manière à augmenter progressivement l'espacement vertical entre les rangées voisines des éliments, par exemple des barreaux, du sonmmet vers la base, assurant ainsi que toutes les particules solides qui pénètrent dans la zone de garnissage à rangées ordonnées passent à travers celle-ci. Des sections différentes des rangées ordonnées peuvent avoir des buts différents C rme on le voit dans la figure 3, la partie A qui est immédiatement au-dessus de la zone inférieure ou de gazéification 1 pourrait être destinée à supporter des tempéra- tures élevées Dans cette zone, on utiliserait un matériau de gar- nissage ayant une résistance mécanique élevée en rapport avec son poids Cette section de matériau spécialement étudié pourrait per- mettre de refroidir les gaz chauds provenant de la zone 1 avant leur entrée dans la zone de garnissage à rangées ordonnées Dans la par- tie B, les barreaux pourraient, par exemple, avoir un espacement vertical tel que chaque barreau soit autoportant et qu'aucun d'eux ne puisse fléchir suffisamment pour en toucher un autre. Dans la partie C des rangées ordonnées, l'espacement vertical entre les éléments, par exemple les barreaux, pourrait Stre réduit à une valeur presque nulle Ce faisant, la totalité des éléments pourrait agir ensemble de manière à supporter le poids d'un lit effondré depuis la zone 2. L'exemple suivant illustre l'invention sans toutefois en limiter la portée. EEMPELE On construit un garnissage ordonné selon la présente invention, qui consiste en trois rangées de barreaux horizontaux de 5 cm de diamètre, et sont disposés dans une configuration trian- gulaire décalée avec un espacement de 6,5 cm d'un centre à un autre. Les barreaux sont séparés par des écarteurs ou rondelles de forme angulaire montés à la circonférence sur les barreaux pour donner un volume de vide d'environ 50 X Les barreaux sont supportés par-des poutres de structure fixées à la paroi interne du réacteur pour donner un arrangement d'environ 2,4 m de diamètre et 1,2 m de pro- fondeur Le garnissage ordonné contient un lit de particules solides inertes telles qu'une argile ou une alumine ayant une dimen- sion de particules de 0,127-1,27 mm, qui sont fluidisées par un gaz réducteur chaud passant de bas en haut à travers le lit Les parti- cules solides de support contenant des dépbt de coke avec un peu d'hydrocarbure liquide sur et dans les particules passent de haut en bas à travers les rangées de garnissage à contre-courant du gaz en courant ascendant Les particules solides pénètrent dans le gar- nissage ordonné à son sommet à environ 538 C et en sortent à la base à une température légèrement inférieure à celle du gaz qui pénètre dans le garnissage Le gaz entre par le bas à environ 982 C et sort au sommet à une température légèrement supérieure à celle des solides particulaires pénétrant dans le garnissage La pression relative est d'environ 28 bars Dans le garnissage ordonné, les solides particu- laires sont fluidisés par le gaz réducteur en courant ascendant et l'hydrocarbure liquide est éliminé des solides en particules Les particules solides passent ensuite de haut en bas dans la zone infé- rieure pour la combustion et la gazéification des dépôts charbonnés. Il est entendu que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation préférés décrits ci-dessus à titre d'illus- tration et que l'homme de l'art peut y apporter diverses modifica- tions et divers changement sans toutefois s'écarter du cadre et de l'esprit de l'invention. R E V E N D I CATI ONS 1 Procédé pour la mise en contact de solides en particules avec un gaz dans une zone de garnissage à rangées ordon- nées, caractérisée en ce qu'il consiste: (a) à faire passer des solides en particules à travers la zone à garnissage ordonné comportant plusieurs rangées d'éléments paral- l les stationnaires donnant un volume de vide variant d'environ à 80 %; (b) à faire passer un gaz & travers ladite zone de garnissage pour fluidiser lesdits solides en particules et pour réaliser un contact intime entre le gaz et les solides; et (c) & maintenir un emélange limité des solides et du gaz dans la zone de garnissage à rangées ordonnées pour réaliser une diffé- rence de température d'au moins environ 11 C à travers la zone de garnissage. -2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait passer les solides en particules de haut en bas à travers la zone à garnissage ordonné et le gaz de bas en haut à contre-courant deadits solides à travers la zone à garnissage ordonné. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait passer les solides en particules de bas en haut à travers la zone à garnissage ordonné et le gaz de bas en haut dans le mime sens que lesdits solides, à travers la zone à garnissage ordonné. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les solides en particules ont un diamètre d'au moins environ pm et la vitesse superficielle du gaz varie d'environ 0,03 à 1,5 m/s. Procédé selon la revendication 1,-caractérisé en ce que les solides en particules pénètrent dans la zone à garnissage ordonné à une température d'environ 454 à 760 C et le gaz pénètre dans la zone à garnissage à une température d'environ 53 S à 1038 C. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les solides en particules sont recouverts d'un hydrocarbure liquide et le gaz en écoulement réchauffe les solides et élimine le liquide qui les recouvre. 19876 7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rangées d'éléments de la zone à garnissage ordonné sont disposées à un angle de rotation entre elles de O a 90 . 8 Procédé selon Ia revendication 1, caractérisé en ce que les éléments desdites rangées s'étendent à travers toute la section de la zone de garnissage. 9 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments ont une section droite eau forme de cercle,. de carré, de losange, de rectangle ou de triatgle. 10 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments deedites rangées sont pleins, creux, à sur- face rugueuse ou munis d'ailettes. 11 Procédé pour la mise en contact de solides en particules avec un gaz à l'intérieur d'une zone de garnissage ordonné, caractérisé en ce qu'il consiste: (a) à faire passer des solides en particules ayant un diamètre d'au moins environ 501 m de haut en bas & travers la zone à garnis- sage ordonné ayant plusieurs rangées d'éléments parallèles sta- tionnaires donnant un volume de vide variant d'environ 20 à 80 % en poids; (b) à faire passer un gaz de bas en haut, a contre-courant des solides en particules, à travers la zone à garnissage ordonné, à une vitesse superficielle variant d'environ 0,03 -à 1,5 m/s pour flui- diser les solides et donner un contact intime avec lesdits solides; (c) à maintenir un mélange limité des solides et du gaz dans la zone à garnissage ordonné pour donner une différence de tempéra- ture d'au moins environ 11 C à travers la zone de garnissage. 12 Procédé selon la revendication 11, caractérises en ce que les solide en particules pénètrent dans la zone à garnis- sage ordonné à une température d'environ 454 à 760 C et le gaz pénêtre dans la zone à garnissage à une température d'environ 538 à 1038 C; 13 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les rangées des éléments de la zone de garnissage ordonné sont disposées à un angle de rotation entre elles de O à 90. 14 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les éléments ont une section droite en forme de cercle, de carré, de losange, de rectangle ou de triangle. en ce que les face rugueuse en ce que les en ce que les e ce que les ae ce Ime les Procédé selon la revendication 11, caractérisé éléments desdites rangées sont pleins, creux, à sur- ou munis d'ailettes. 16 Procédé selon la revendication 11, caractérisé solides sont catalytiques et absorbants. 17 Procédé selon la revendication 11, caractérisé solides sont non catalytiques et non absorbants. 18 Procédé selon la revendication 11, caractérisé solides sont catalytiques et non absorbants. 19 Procédé selon la revendication 11, caractérisé solides sont non catalytiques et absorbants. Réacteur pour la mise en contact de fluides avec des tiede en particules, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) ut mone supérieure contenant ua lit fluidisé de solides en prticules; (b) une zone inférieure contenant un lit fluidisé de solides en particules; et (c) une zone intermédiaire à garnissage séparant lesdites zones supérieure et inférieure, comprenant un garnissage ordonné d'élé- ments parallèles stationnaires. 21 Réacteur selon la revendication 20, caractérisé en ce que ledit garnissage ordonné comprend au moins deux rangées d.edlésmnts hoeizontaux autoportants espacés. 22 Réacteur selon la revendication 20, caractérisé i ce que Les éléments de chaque rangée ont un espacement horizontal diffremt entre les éléments voisins. 23 Réacteur selon la revendication 20, caractérisé * ce que les rangées des éléments dans le garnissage ordonné sont disposées à un angle de rotation entre elles de O à 90 . 24 Réacteur selon la revendication 20, caractérisé en ce que les éléments de chaque rangée voisine ont des diamètres différents. Réacteur selon la revendication 20, caractérisé en ce que le garnissage ordonné comprénd au moins trois rangées de barreaux et l'espacement vertical entre les rangées voisines de barreaux est différent. 26 Réacteur selon la revendication 20, caractérisé en ce que les rangées voisines d'éléments sont séparées par des écarteurs verticaux. 27 Réacteur selon la revendication 20, caractérisé en ce que le volume de vide du garnissage ordonné varie d'environ à 80 %. 28 Réacteur selon la revendication 20, caractérisé en ce que le garnissage ordonné contient une matière catalytique. 29 Réacteur selon la revendication 28, caractérisé en ce que le matériau catalytique comprend un revêtement d'au moins une portion des éléments horizontaux du garnissage ordonné. Réacteur selon la revendication 20, caractérisé en ce que les solides en particules de la zone supérieure descendent à travers le garnissage ordonné, tandis que le gaz passe de bas en haut depuis la zone inférieure, à contre-courant deadits solides, à travers le garnissage ordonné pour fluidiser les solides et réaliser un contact intime entre le gaz et les solides dans ledit garnissage. 31 Réacteur selon la revendication 20, caractérisé en ce que les solides en particules passent depuis la zone inférieure de bas en haut à travers le garnissage ordonné et un gaz passe de bs J en haut vers la zone supérieure dans le nmne sens d'écoulement que les solides, à travers le garnissage ordonné pour fluidiser les solides dans ledit garnissage et y réaliser un contact intime avec lesdits solides. 32 Réacteur selon la revendication 20, caractérisé en ce que la tempérture du garnissage ordoiné' est d'environ 454 à 1038 C.