Brevet FR2529096A1 — publié le 19831230

REACTEUR POUR LA SYNTHESE HETEROGENE ET OPTIMISATION DUDIT REACTEUR. La présente invention a pour objet des réacteurs pour la synthèse hétérogène et, en particulier, pour la synthèse catalytique de l'ammoniac, du méthanol, de carburant, d'alcools supérieurs, de monomères et de produits similaires, lesdits réacteurs comprenant au moins un réservoir extérieur, une cartouche interne, elle-même constituée de préférence par "n" cartouches modulaires,"n"lits catalytiques, constitués chacun par du catalyseur à l'état granulaire, étant disposés entre un fond ou plateau plein et deux parois cylindriques concentriques dont la plus externe est perforée sur toute sa longueur axiale et dont la plus interne est perforée sur une longueur axiale plus courte que celle de la paroi extérieure, des moyens étant prévus pour amener le gaz de réaction et des moyens étant également prévus pour extraire le gaz issu de la réaction. Des réacteurs de ce type ont été décrits dans les demandes de brevets français No 80-13 951 et italiens N O 24334 A/79, N O 22701 A/80 et 26294 A/80. toutes au nom de la Demanderesse et de l'un des inventeurs. Ces réacteurs sont caractérisés par le fait que le flux de gaz à l'entrée est divisé de façon que chaque lit catalytique est parcouru par une partie du gaz de réaction ainsi divisé dans une zone o le flux est essentiellement axial, l'autre partie du flux de gaz ainsi divisé formant un flux à circula- tion essentiellement radiale, la zone à circulation essentiellement axiale agissant comme tampon d'étanchéité au gaz. Il est connu dans l'art antérieur que la plupart des synthèses hété- rogènes sont accompagnées par un dégagement considérable de chaleur, généra- lement récupéré à l'extérieur du réacteur en refroidissant le gaz issu du réacteur pour produire de l'énergie, par exemple de la vapeur. La récupération de la chaleur en dehors du réacteur présente des dés- avantages certains comparé avec la récupération interne au réacteur, car cette dernière en l'absence de complication de structure permettraitd'obtenir en même temps: a) un réglage optimal de la chaleur de réaction, et donc une réduction du volume de catalyseur, b) des rendements maxima, et c) un niveau maximum de la température de chaleur récupérée (par exemple, de la vapeur à haute pression). En dépit de ces promesses intéressantes, jusqu'à présent la récupéra- tion de chaleur à l'intérieur du réacteur n'a pas trouvé d'application très étendue En fait, seulement dans des cas exceptionnels, on a pu récupérer la chaleur à l'intérieur du réacteur pour produire de la vapeur et assurer un contrôle complet de la chaleur de réaction (par exemple, dans le réacteur de synthèse de l'ammoniac de Fauser-Montecatini, dans le réacteur de synthèse de Ammonia Casale à couches catalytiques à circulation axiale de gaz, ou dans le réacteur de synthèse du méthanol de Lurgi, également avec lit catalytique à circulation axiale du gaz), mais ceci a pu être réalisé au prix d'énormes complications de construction, ce qui a généralement conduit à l'abandon de ces méthodes. C'est donc pourquoi dans le cas des réacteurs de synthèse de l'ammoniac selon les technologies modernes,la vapeur est habituellement produite en dehors du réacteur; ceci s'applique également aux réacteurs de synthèse du méthanol, à l'exception du réacteur Lurgi (Voir E Supp -"Chemtech", Juillet 1973) et dans le réacteur de Toyo Engineering (demande de brevet italien No 21172 A/80). Mais ces cas représentent, cependant, des méthodes très complexes - Dans les réacteurs à circulation radiale-axiale d'un nouveau type tel que décrit dans les demandes de brevets ci-dessus mentionnées, la chaleur de réaction est contrôlée, soit par échange gaz-gaz ou, plus généralement, par refroidissement brutal;ces systémes,cependant,ne permettentpas la récupération in situ de la chaleur de réaction. Dansle cas du refroidissement brutal, seulement une partie du gaz refroidi circule à travers l'ensemble des lits catalytiques, ce qui entraîne des rendements réduits. Poursuivant la recherche dans ce domaine, la Demanderesse a trouvé non sans surprise que dans ces nouveaux réacteurs à division du flux et à couches catalytiques traversées en série par le gaz de réaction avec circulation mixte axiale-radiale (selon les demandes de brevets français ci-dessus indiquées), la chaleur de réaction peut être avantageusement récupérée, cette récupération interne,avec tous les autres avantages qu'elle comporte, peut être obtenue sans complications et sans difficultés. Le réacteur conforme à la présente invention pour la synthèse hétéro- gène et, plus particulièrement, pour la synthèse catalytique de l'ammoniac, du méthanol, de carburant, d'alcools supérieurs, de monomères et autres produits analogues, consiste essentiellement en au moins un réservoir ex- térieur, une cartouche de préférence interne, formée elle-même par "n" cartouches modulaires,n;lits catalytiques étant constitués par du catalyseur granulaire disposé entre un fond ou plateau plein et deux parois cylindriques concentriques dont la plus extérieure est perforée sur toute sa longueur axiale et dont la plus intérieure est perforée sur une longueur axiale plus courte que celle de la paroi la plus extérieure; des moyens étant prévus pour amener et faire circuler le gaz de réaction, d'autres moyens pour extraire les gaz après réaction, des moyens étant également prévus pour contrôler la température des gaz de réaction, l'ensemble étant caractérisé par le fait que, à l'intérieur de l'espace cylindrique central défini par les parois intérieures à perforation sur une longueur plus courte d'au moins l'un des N paniers catalytiques ainsi formés est inséré un échangeur thermique dans lequel pénètre d'un côté le gaz après réactionissu du lit auquel le réacteur est associé, de l'eau amenée de l'extérieur ou tout autre fluide de prélèvement de chaleur étant amené de l'autre côté de cet échangeur. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux et simple, l'échangeur de chaleur inséré à l'intérieur de l'espace cylindrique central défini par la paroi interne à longueur perforée plus courteest équipé d'un faisceau de tubes dans lequel circulel'eauletà l'extérieur desquels circule le gaz de réaction chaud qui, après séparation, a circulé soit dans le sens axial, soit dans le sens radial à travers le lit catalytique au coeur duquel est inséré ledit faisceau de tubes. Selon une caractéristique remarquable de l'invention, le faisceau de tubes peut s'étendre sur la totalité de la longueur axiale perforée de la paroi cylindrique intérieure de chaque panier de catalyseur et est disposé à l'intérieur d'un corps cylindrique s'étendant axialement sur une longueur légèrement plus courte que la longueur axiale sur laquelle s'étendent les perforations de la paroi interne du panier, ledit corps cylindrique ayant des events ajustables de by-pass vers le fond pour les gaz après réactior L'optimisation des conditions opératoires du réacteur s'effectue en prélevant in situ la très forte chaleur de réaction par échange entre le gaz qui a réagi sur le lit, d'une part et, d'autre part, l'eau circulant amenée de l'extérieur vers la partie cylindrique centrale prévue au coeur du lit, de façon à obtenir en même temps que des conditions réactionnelles optimales, une réduction dans le volume de catalyseur de chaque lit, ainsi qu'un contrôle plus précis de la température du gaz qui a déjà réagi dans le lit et qui va entrer dans le lit catalytique suivants ceci étant effectué en mesurant la quantité de gaz chaud qui a réagi dans un lit et qui est envoyée à la partie cylindrique interne o l'échange de chaleur a lieu. Pour mieux faire comprendre les caractéristiques techniques et les avantages de la présente invention, on va en décrire un mode de réalisation, étant bien entendu que celui-ci n'est pas limitatif quant à son mode de mise en oeuvre et aux applications qu'on peut en faire On se référera aux figures suivantes qui représentent schématiquement: La Figure 1 est une coupe partielle sur un réacteur de type axial-radial tcl que, par exemple, ceux décrits dans la demande de brevet français No. -13 951 du 24 Juin 1981 mais équipés du dispositif de récupération de cha- leur conforme à la présente invention disposé directement au coeur de chaque couche catalytique; et la Figure 2 représente un schéma général illustrant plus complètement l'optimisation. Pour une illustration plus claire de l'invention, la Figure 1 représente schématiquement un réacteur de type axial-radial avec seulement deux paniers de catalyseur Cl et C 2, chaque panier consistant en un support SI ou 52 et en deux parois cylindriques, respectivement T 1, T 2 et T 3,T 4; les parois extérieures cylindriques -T 1 et T 3 sont perforées sur toute leur longueur axiale, tandis que les parois internes T 2 et T 4 ont une longueur axiale de perforation plus courte que celle des parois extérieures Tl et T 3. En effet, comme on peut le voir schématiquement sur la Figure 1, les portions de parois, respectivement T'2 et T'4 ne sont pas perforées et peu- vent consister en une partie pleine des parois internes, respectivement T 2 et T 4, ou encore en une couche catalytique ou tout autre corps plein non perforé. La structure des parties non perforées, respectivement T 2 et T 4 peut donc être réalisée de différentes manières; ce qui importe, est que la lon- gueur axiale perforée du cylindre intérieur T 2 ou T 4 soit plus courte que la longueur de perforation totale de Tl ou T 3 de façon que dans la zone définie par les parties non perforées T'2 ou T'4 le gaz circule essentielle- ment axialement par un flux Zia, tandis que dans les zones perforées de T 2 et T 4 le gaz circule essentiellement de façon radiale Z 3 b Cet aspect caractéristique des réacteurs de type axial-radial a déjà été mentionné dans les demandes de brevets français ci-dessus mentionnées qui peuvent être considérées comme faisant partie intégrante de la description. En général, la hauteur T'2 ou T'4 qui définit le flux de circulation essen- tiellement axial est une donnée critique, en ce sens qu'elle doit se compor- ter comme un tampon d'étanchéité pour le gaz. Il a été trouvé, et ceci représente une caractéristique essentielle de l'invention, que dans l'espace vide cylindrique limité par la paroi cylindrique interne,respectivement T 2 ou T 4, il est possible d'insérer un échangeur de chaleur, respectivement SC 1 ou SC 2, qui est entouré par le corps cylindrique, respectivement BB 1 ou BB 2, dont la base, respectivement B ou B 2, est fixée au support, respectivement 51 ou 52, des paniers de catalyseur, respectivement C, ou C 2, de sorte que pratiquement l'ensemble du flux de gaz ayant réagi,lc'est-à-dire à la fois, d'une part, Z 1 a et Z 2 a, qui a traversé axialement le catalyseur dans la zone Z 1 ou Z 2 et, d'autre part, Zlb et Z 2 b qui a traversé radialement le catalyseurs circule vers le haut le long de la totalité de la paroi BB 1 ou BB 2 et à l'extrémité ouverte B'1 ou B'2 de la paroi, entre dans l'échangeur, respectivement SC 1 ou SC, alimenté en eau à partir d'une source extérieure, respectivement SQ 1, SQ 2, l'eau ressortant à la partie supérieure, respectivement U 1 ou U 2, cette eau pouvant être en tout ou partie à l'état de vapeur, notamment pour les hautes chaleurs produites in situ en SC 1 ou SC 2, ceci résultant de l'échange de chaleur avec les gaz de réaction chauds Zia + Zlb. Du fait de cet échange, il est possible de maintenir la température de la zone de réaction à une valeur optimale (température d'équilibre), de produire in situ de la chaleur de haut niveau, d'obtenir de hauts rendements de conversion et de réduire le volume de catalyseur dans chaque panier. De plus, une caractéristique remarquable de l'invention réside dans le fait que la température du gaz G 1 qui a déjà réagi dans le lit Ci et qui est dirigé vers l'entrée du lit suivant C 2 peut être réglée de façon beau- coup plus précise parce que presqu'au fond Bl du corps cylindrique BB 1 sont prévues des perforations de ventilation F 1, F 2, F 3, F 6 Fn (c'està-dire, des ouvertures réparties tout le long de la surface cylindrique de BB 1), cette partie ouverte pouvant être réglée par un système de fermeture non représenté; quand les perforations FI à F N sont totalement fermées, l'ensemble du flux de circulation de gaz ayant réagi Zia + Z Ib circule vers le haut le long du corps BB 1 et entre à travers B'1 dans l'échangeur SC 1. Dans ce cas, le gaz G 1 qui quitte le lit C 1 a une température "froide" imposée par l'échangeur de chaleur et entre ainsi dans le lit suivant C 2 à la température qui peut être appelée "la plus basse" D'autre part, quand les ouvertures F 1 à F N sont seulement partiellement fermées, une partie du gaz chaud ayant réagi G'1 (par exemple, une partie de Z Ib) ne circule plus vers le haut le long du corps BB 1, mais va circuler directement à travers les ouvertures Fi à Fn vers la zone libre Z 2 (entre Ci et C 2) o ce flux se mélange avec le gaz G 1 qui, par circulation à travers l'échangeur SC 1, a été amené à une température plus basse. Pour ce faire, en contrôlant l'ouverture ou la fermeture des perforations F 1 à Fns il est possible de doser la quantité (plus faible) de gaz chaud G 1 qui by-passe l'échangeur SC, et arrive chaud dans la zone Z 2 o il se mélange avec le flux (plus grand) G 1 de gaz plus froid, qui a transféré sa chaleur à l'eau issue de SQ 1 circulant dans l'échangeur SC 1. De la sorte, par exemple en disposant des échangeurs SC", SC 2, etc, au coeur ou au centre des divers lits catalytiques C", C 2, etc, avec des systèmes de by-pass F 1 à Fn au fond du corps BB 1, il est possible, non seulement d'optimiser les conditions de réaction dans chaque lit catalytique séparé, mais aussi, d'obtenir un flux de gaz issu de chaque lit pour l'amener au lit suivant à températures optimales. A la Figure 1, des échangeurs SC 1 et SC 2 sont représentés schématiquement dans leur forme la plus simple, c'est-à-dire constitués par un faisceau de tubes 1 ou 1 ', 2 ou 2 ', 3 ou 3 ', etc, insérés entre le plateau inférieur Pl ou Pli et un plateau supérieur collecteur P 2 ou P'2 Il est évident que l'échangeur peut être de tout type connu en soi et peut simplement réchauffer tout fluide (l'eau par exemple) ou le transformer (en vapeur par exemple) permettant ainsi une meilleure récupération de la chaleur in situ au plus haut niveau possible de chaleur. Des dispositifs pouvant se substituer au faisceau-de tubes sont bien connus en eux-mêmes et cette substitution peut être considérée comme à la portée de l'homme de l'art. Dans la Figure 2 est représenté un schéma plus général pour l'optimi- sation du procédé et de l'installation, particulièrement adapté à la synthèse du méthanol Le réacteur de méthanol RME est représenté à quatre lits cata- lytiques C 1, C 2, C 3, C 4; les trois échangeurs SC 1, SC 2, SC 3 ont été insérés seulement dans la partie cylindrique interne centrale des trois premiers lits catalytiques, le derniers lit C 4 étant sans échangeur. Le gaz de synthèse frais GSI arrive par la conduite principale 12 et parvient par les conduites 12 '-12 ", par exemple, à deux échangeurs 15 et 16 dans lesquels circule à contre-courant le gaz de réaction chaud GRC provenant du fond 30 par la conduite 20 et les conduites de distribution 20 ' et 21 '. Le gaz de synthèse GSI' qui a traversé les échangeurs de chaleur 15 et 16 est collecté après ce préchauffage partiel en 17, et arrive par les conduites 18 et 19 au sommet du réacteur RME pour entrer sous la forme de gaz MSI dans la première zone libre Z 1, o MSI est divisé en une première portion qui circule axialement et en une seconde portion qui circule radialement dans le premier lit catalytique C 1 Il remonte ensuite le long du corps BB 1 et redescend en hélice dans l'échangeur SC 1 d'o est extrait un flux de gaz refroidi G 1 (ou G 1-G'1 si l'on a prévu un by-pass partiel de SC, à travers des ouvertures partielles des perforations F 1 à F n) Ce flux de gaz refroidi G 1 entre dans le second lit catalytique C 2,o il circule axialement et radialement pour circuler ensuite vers le haut le long de BB 2, et redescendre à nouveau le long de l'échangeur SC 2, d'o il ressort à l'état G 2 (ou G 2 +G'2 si l'on a prévu un by-pass partiel de SC 2 à travers les ouvertures F'1 à F'n). Il traverse le lit C 3 d'abord axialement puis radialement, remonte le long de BB 3, traverse SC 3 qu'il quitte sous la forme d'un flux refroidi G 3 (ou G 3 + G'3 en cas de by-pass partiel dû à une fermeture incomplète des perfo- rations F" 1 à F"n)* Il circule finalement à travers le-lit C 4 (sans échangeur), et quitte en 30 par les conduites 20, 20 ', 21, 21 ' et 22 pour arriver au condenseur final CO. Pour faire fonctionner des échangeurs selon l'invention SC 1, SC 2, SC 3, la principale source d'eau SQ alimente par les conduites 42, 43 et 44 la pompe PI, qui par la conduite 45 et les trois conduites 46, 47 et 48 fait circuler l'eau dans les tubes associés avec les échangeurs SC,, SC 2 et SC 3, dont les sorties UI, U 2 et U 3 sont connectées à une conduite unique Uc qui alimente un collecteur RC dans la partie haute duquel la vapeur ST (produite dans les échangeurs individuels SC 1, SC 2 et SC 3) va vers la zone d'utilisation ST'. Au fond du collecteur RC est recueillie de l'eau SQ' qui est recyclée avec l'eau fraiche provenant de SQ. Il a été trouvé que, en adoptant un schéma du type représenté à la Figure 2, pour une installation de 1000 MTD et une pression opératoire de 80 bars, la récupération de vapeur saturée à environ 18 bars, et un volume de catalyseur dont les valeurs sont représentées dans le tableau ci-après, quand la chaleur est récupérée à l'intérieur du réacteur, conformément à l'invention, ou est récupérée à l'extérieur selon les techniques antérieures, on obtient les résultats suivants: TABLEAU Production 1000 t/jour de CH 3 OH à 80 bars Récupération de vapeur à 18 bars à 4 Lits catalytiques. La présente invention a donc pour objet essentiellement des réacteurs de synthèse hétérogène et, en particulier, de synthèse catalytique. Il a été décrit les moyens nécessaires pour arriver à une optimisation du rendement du procédé de synthèse, de la récupération de la chaleur, une économie sur les quantités de catalyseur et une augmentation du niveau de récupération de la chaleur in situ La présente invention couvre donc à la fois les dispositifs constitués par le réacteur et ses accessoires, les procédés faisant appel à ces dispositifs incluant les procédés optimisés par utilisation des dispositifs et des moyens cdcrits Cette mise en oeuvre peut être faite pour une optimisation, soit manuellement, soit automatique- ment, soit en faisant appel à des solutions mixtes bien connues de l'homme de l'art, et ceci sans sortir du cadre de la présente invention. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. TOTAL MM Kcat/tonne Vo Lume en m 3 de Kcal/h de méthanot catalyseur sur 4 Lits Récupération dans le réacteur con- formément à l'in- vention 17 410 000 85 Récupération en dehors du réacteur selon les techni- ques antérieures a 7,8 190 000 96 REVENDI CATIONS 1. Réacteur pour la synthèse hétérogène, et plus particulièrement pour la synthèse catalytique d'ammoniac, de méthanol, de carburant, d'al- cools supérieurs, de monomères et de produits divers, consistant en au moins un réservoir extérieur, une cartouche intérieure constituée de préférence par "n" cartouches modulaires, par "n" lits catalytiques, chacun d'eux étant formé par du catalyseur à l'état granulaire, disposé entre un fond ou plateau plein et deux parois concentriques cylindriques dont l'extérieur est perforé sur toute sa longueur axiale et dont l'intérieur est perforé sur une longueur axiale inférieure à celle de la paroi exté- rieure, des moyens étant prévus pour amener et faire circuler le gaz de réaction, des moyens étant prévus pour extraire le gaz après réaction, et des moyens enfin étant prévus pour contrôler la température du gaz de réaction, caractérisé par le fait que dans l'espace cylindrique central limité par les parois intérieures (T 2, T 4 T 2 n) à longueur perforée plus courte d'au moins l'un des N paniers catalytiques (C 1, C 2 Cn), est inséré un échangeur de chaleur (SC,, SC 2, S Cn) o circule d'un côté le gaz chaud sortant de la réaction dans le lit auquel est associé l'échangeur et, de l'autre côté, de l'eau amenée de l'extérieur (SQ 1, SQ 2 S Qn). 2. Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échan- geur (SC 1, SC 2 SC 2 n) est inséré dans l'espace cylindrique central défini par la paroi interne (T 2, T 4, T 2 n) avec des perforations sur une zone plus courte, consistant en un faisceau de tubes ( 1, 1 ' ou 2, 2 ' ou 3, 3 ') dans lesquels circule de l'eau et à l'extérieur desquels circule le gaz chaud qui a traversé soit essentiellement en flux axial (Zia) ou essentiel- lement en flux radial (Zîb) ledit lit catalytique à l'intérieur duquel est inséré le faisceau de tubes. 3. Réacteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le faisceau de tubes s'étend substantiellement sur toute la longueur axiale des perforations de la paroi cylindrique interne de chaque lit catalytique et comprend à l'intérieur un corps cylindrique dont la longueur axiale est légèrement inférieure à la longueur sur laquelle est perforée la paroi intérieure du panier, ledit corps cylindrique ayant à sa base des ouver- tures de by-pass réglables pour le gaz ayant réagi. 4. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour la synthèse catalytique hétérogène optimisée, notamment de l'ammoniac, du méthanol et de produits analogues, caractérisé en ce que le flux de gaz chaud réagit d'abord dans une direction de circulation essentiellement axiale (Zia), puis dans un sens de circulation essentiellement radial (Z'b), dans les lits catalytiques (C 1, C 2 Cn) ledit gaz étant amené ensuite dans une zone cylindrique centrale située au coeur dudit lit catalytique dans un système d'échange de chaleur avec un fluide circulant dans ladite zone, la plus grande partie de la quantité de chaleur étant échangée in situ. 5. Réacteur selon la revendication 4, pour la récupération de la chaleur dans les gaz de réaction issus de paniers catalytiques o les gaz circulent dans une zone à circulation essentiellement axiale et dans une autre zone à circulation essentiellement radiale, lesdits paniers étant compris dans des réacteurs du type faisant l'objet des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz frais devant réagir est amené à travers au moins un échangeur de chaleur alimenté par ailleurs en gaz ayant réagi et sortant du réacteur, ledit gaz frais étant ensuite préchauffé et étant amené en circulation essentiellement axiale (Z 1 a) et en circulation essen- tiellement radiale (Zb) pour venir ensuite circuler dans un échangeur de chaleur (SC,, SC 2 SC) arrangé à l'intérieur d'un corps cylindrique situé lui-même à l'intérieur de la paroi cylindrique interne à longueur de per- foration plus courte, ledit échangeur étant alimenté de l'autre côté par de l'eau et fournissant un mélange d'eau et de vapeur qui est amené avec ceux issus des autres faisceaux de tubes disposés à l'intérieur des autres paniers catalytiques vers un collecteur eau-vapeur, chaque corps cylindri- que étant muni d'évents à travers lésquellçs peut être réglée la quantité de gaz chaud de réaction à envoyer sur l'un des côtés de l'échangeur.