Brevet FR2527097A1 — publié le 19831125

OBJET DE L'INVENTION L'invention concerne un réacteur cylindrique pour synthèses chimiques en phase gazeuse et en catalyse hétérogène. Le réacteur réalisé selon les procédés de l'invention est caractérisé en ce que le lit catalytique qu'il contient est divisé en plusieurs compartiments parallèlépipédiques verticaux dont les sections en coupe s'inscrivent dans un cercle coaxial au cercle défini par la section circulaire de la paroi intérieure du réacteur. Les compartiments de catalyseur sont agencés de telle façon que les gaz de réaction circulent perpendiculairement à l'axe du réacteur cy- lindrique et passent successivement d'un compartiment à un autre. Entre deux compartiments, du gaz frais peut être ajouté, ce qui permet de maintenir la température du réacteur dans une zone-étroitement con- trôlée. Les avantages du réacteur réalisé selon les procédés de l'invention sont multiples: Du point de vue physico-chimique, grâce à l'adaptation des sections de passage au débit du gaz, la vitesse et la distribution des réac- tifs sont parfaitement contrôlées à travers toute la masse catalyti- que. La possibilité offerte d'une multiplication de trempes gazeuses per- met au réacteur de fonctionner de façon quasi isotherme et de mainte- nir la vitesse de réaction toujours au maximum compatible avec la sta- bilité du catalyseur 1 Du point de vue technologique, comme on peut s'en rendre compte sur les figures jointes, les procédés de l'invention permettent d'aboutir à une simplicité de conception et une compacité de réali- sation peu communes. Surtout, les procédés de l'invention permettent de réaliser le réac- teur en une seule pièce quelle que soit la production souhaitée. Enfin, les procédés de l'invention autorisent une standardisation pous- sée de la fabrication Pour des unités de différentes tailles et capa- cités, les diamètres et agencements peuvent rester les mêmes, seule la longueur du réacteur varie proportionnellement à la production envisa- gée. ETAT DE LA TECHNIQUE Pour la réalisation des synthèses chimiques en phase gazeuse et en ca- talyse hétérogène, il est bien connu de placer le catalyseur solide dans un récipient cylindrique puis de faire passer les gaz de la réac- tion, convenablement conditionnés en pression et en température, à travers le lit catalytique ainsi formé. Les gaz circulent parallèlement à l'axe du réacteur soit de bas en haut, soit de haut en bas. En pratique industrielle,à cause des vitesses élevées de circulation, c'est la dernière solution qui est le plus souvent utilisée. Cette préférence s'explique par le fait que les gaz,circulant de haut en bas, ont tendance à plaquer les grains de catalyseur sur le fond du réacteur Les risques de soulèvement du lit ou d'entraînement du cata- lyseur par le gaz sont ainsi supprimés. Il est rare de trouver des synthèses chimiques sans intervention de phénomènes thermiques soit absorption soit dégagement de chaleur. Les gaz réactionnels (et, à titre d'exemple, les gaz de synthèse pour un procèdé de fabrication de méthanol et/ou d'alcools homologues supê- rieurs), au contact avec le catalyseur, ont donc tendance, soit à trop se refroidir, soit à trop se surchauffer. Pour maintenir les gaz dans des zones optimales de température, il est d'usage de répartir le catalyseur en plusieurs lits catalytiques (voir figure 1). A cet effet, on équipe le réacteur ( 11) de plusieurs grilles ( 12) de sup- port, les lits de catalyseurs ( 13) reposant alors sur ces différentes grilles et seul le dernier lit repose directement sur le fond du réac- teur. L'espace vide entre la grille support et le haut du lit immédiatement situé en dessous, est mis à profit pour injecter du gaz frais et rame-. ner par mélange direct les gaz de réaction dans la zone de température optimisée. Les grillessupportset les espaces vides qui les accompagnent étant un facteur de complication et d'augmentation de volume mort et de prix, il a été récemment proposé de les remplacer par des espaces vides dis- posés en nappes et ménagés au sein même du lit catalytique (figure 2 et figure en coupe 2 A). Ces espaces vides ( 14 ou 14 a) sont définis par des tubes de section Pré I /férentiellement en losange à l'intérieur desquels se trouvent des in- jecteurs de gaz frais ( 12 a figure 2 a) Les parois des tubes sont soit trouées, soit grillagées de façon à y appeler préférentiellement les gaz de passage dans le lit catalytique (Brevet Britannique n'l 105 614). La tendance moderne étant aux unités géantes, l'évolution des réacteurs axiaux est vite bloquée par des diamètres excessifs. C'est ainsi qu'on a vu se développer des réacteurs du type dit radial. Dans ce genre de réacteur (figure 3), le catalyseur( 22) est enfermé, dans le réacteur( 21),dans une couronne cylindrique( 23), coaxiale au réacteur Les gaz, au lieu de circuler verticalement à travers la sec- tion du réacteur, circulent horizontalement à travers l'épaisseur de la couronne catalytique. Pour un réacteur de 2 m de diamètre et de dix mètres de haut, un cal- cul simple montre que la section de passage de gaz peut ainsi être multipliée par vingt, passant de 3 mètres carrés environ à plus de mètres carrés environ. Les inconvénients du réacteur radial sont nombreux. Le premier inconvénient du réacteur radial est la mauvaise distribu- tion du gaz à travers le lit catalytique. En effet, si dans les réacteurs axiaux, à cause de la faible section de passage, la vitesse des gaz a tendance à être trop êlevéedans les réacteurs radiaux, la vitesse des gaz a tendance, au contraire, à être trop faible, due à des sections de passage trop importantes. La faible vitesse favorisant les passages préférentiels, il a été pro- posé d'y remédier soit en introduisant une double paroi avec orifices de restriction pour augmenter la perte de charge (Brevet Britannique N 01 118 750) soit en divisant la couronne catalytique en plusieurs secteurs, le gaz étant obligé de passer alternativement d'un secteur à un autre (Brevet Britannique n'1 140 071). Ces améliorations pallient la mauvaise répartition du gaz à travers le lit maislaissentnon résolu le vrai problème qui est celui d'un bon con- tact et d'un bon échange entre gaz et solide catalytique Ce dernier problème ne peut en effet être résolu que par un bon contrôle de la vitesse des gaz au sein même du lit catalytique. Le deuxième inconvénient du réacteur radial est la perte d'espace uti- le qu'il implique. S'agissant le plus souvent de récipient sous forte pression dont le poids se compte par centaines de tonnes, c'est assurément un désavan- tage majeur. C'est la raison pour laquelle différentes dispositions ont été propo- sées afin d'occuper utilement l'espace mort, correspondant notamment au noyau central vide du réacteur. Le plus souvent, il s'agit d'échangeurs tubulaires soit charge-effluent soit inter-lits catalytiques (Brevet U S 4 230 669 et Brevet Britanni- que 1 140 071). Le troisième inconvénient des réacteurs radiaux est la difficulté de réaliser des refroidissements intermédiaires entre les différents lits catalytiques. Les brevets U S N 03 751 232 et N 04 230 669 ont proposé différentes solutions. Ces solutions sont, d'une part, relativement compliquées, d'autre part, posent des problèmes quasi insolubles lors du chargement et du déchargement du catalyseur. L'INVENTION La présente invention concerne un procédé pour effectuer en phase gazeuse des synthèses chimiques à partir de gaz, dans une zone de réaction ( 1) (voir figure 5) de forme cylindrique et en présence d'un catalyseur solide; le pro- cédé de l'invention est caractérisé en ce que la zone de réaction est divisée en une pluralité d'enceintes ( 2), renfermant le catalyseur, les dits enceintes étant de forme allongée et de forme parallèlépi- pédique et adjacentes les unes aux autres, les sections en coupe de ces enceintes, s'inscrivant sensiblement dans un cercle coaxial au cercle défini par la section circulaire de la zone de réaction, les parois ( 3) adjacentes de ces enceintes ou les parois communes des enceintes adjacentes étant étanches aux gaz qui circulent dans la zone réactionnelle, les parois ( 4) latérales de ces enceintes étant perméables aux gaz, les gaz introduits dans la zone réactionnelle cir- culant ainsi de proche en proche à travers chacune des enceintes, de façon sensiblement perpendiculaire à l'axe de la zone de réaction ces gaz pénétrant dans chaque enceinte par une paroi perméable et en sortant par une paroi perméable opposée à la paroi par laquelle les gaz sont entrés. Plus particulièrement l'invention concerne, à titre d'exemple non limitatif, un procédé dans lequel des gaz frais ou une charge gazeuse pénètrent dans la zone de réaction ( 1) par deux conduites ( 5) au voi- sinage de chacune des deux premières enceintes ( 2 a) les plus éloignées Plus particulièrement l'invention concerne, à titre d'exemple non limitatif, un procédé dans lequel des gaz frans ou une charge gazeuse pénètrent dans la zone de réaction ( 1) par deux con- duites ( 5) au voisinage de chacune des deux premières enceintes ( 2 a) les plus éloignées l'une de l'autre, donc les plus éloignées de l'axe de la zone réactionnelle, ces deux premières enceintes étant diamétralement opposées l'une par rapport à l'autre, les gaz ou la charge pénètrent ensuite dans chacune de ces deux enceintes, à tra- vers une des deux parois perméables de chacune de ces deux enceintes, les gaz ou la charge cheminant ensuite à l'intérieur des deux premiè- res enceintes ( 2 a) en direction de la deuxième paroi perméable de cha- cune de ces deux premières enceintes, les gaz quittant chacune de ces deux premières enceintes à travers cette deuxième paroi dite perméable et pénétrant dans une autre enceinte ( 2 b) adjacente aux deux premières enceintes ( 2 a) par une des deux parois perméables de cette autre en- ceinte, ces parois perméables étant celles qui sont immédiatement au voisinage des parois perméables par lesquelles étaient sortis les dits gaz des dites premières enceintes, les gaz cheminant ainsi, en deux courants distincts, de proche en proche à travers au moins une encein- te ( 2 b) et une autre enceinte ( 2 c), pénétrant dans chaque enceinte par une de ses deux parois perméables et en sortant par l'autre paroi per- méable, atteignant ainsi la ou les enceintes allongées ( 2 d) centrales c'est-à-dire disposées sensiblement le long d'un des diamètres de la section. L'invention concerne également l'appareillage comportant un réacteur ( 1) (voir figure 5) de forme cylindrique et dont la section en coupe a une forme circulaire, caractérisé en ce qu'il renferme une pluralité de compartiments ( 2) parallèlépipédiques allongés adjacents les uns aux autres dont les sections en coupe s'inscrivent dans un cercle coaxial au cercle défini par la section circulaire de la paroi inter- ne du réacteur, les parois adjacentes des compartiments adjacents étant des parois étanches ( 3) à des gaz, les parois latérales ( 4) des dits compartiments étant perméables à des gaz. L'invention concerne également l'appareillage comportant en outre des moyens ( 5) d'introduction d'une phase gazeuse au voisinage ( 6) de chacun des deux compartiments les plus éloignés de l'axe vertical du réacteur, ces deux compartiments étant diamétralement opposés l'un par rapport à l'autre, des espaces ( 7) pour la circulation des gaz d'un compartiment à l'autre, ces espaces étant aménagés au voisinage de la plupart des parois dites perméables, entre les dites parois perméables et la pa- roi interne du réacteur, des lumières telles que ( 9) aménagées entre la paroi interne du réacteur ( 1) et la plupart des parois étanches ( 3), pour assumer le passage de gaz d'un espace ( 7) dans un compartiment. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION (fig 4 et 5) Le réacteur cylindrique de synthèse chimique ( 1) est divisé en plu- sieurs compartiments parallèlépipédiques ( 2) renfermant un catalyseur ( 15) sur la figure 4. Ces compartiments sont délimités par des parois étanches ( 3) et des parois perméables ( 4), ces dernières étant seulement visibles sur la figure en coupe 5 à laquelle on se réfère pour la suite de la descrip- tion Les parois perméables ( 4) peuvent être constituées soit par des fils en disposition parallèle ou croisée, soit par des plaques perfo- rées ou alvéolées, ou de tout autre type équivalent. Les compartiments ( 2) sont remplis dz catalyseur solide (par exemple d'un catalyseur de synthèse de méthanol et/ou d'alcools looiogucs partir d'un gaz renfermant de l'hydrog 5 ne, de l'oxyde de carbone et éventuellement du gaz carbonique). Les gaz frais ( 5) (par exemple, soit un mëlange d'hydrogène et d'azcc, soit un mélange d'hydrogène et d'oxydes de carbone) convenablement conditionnés en pression et en température, sont introduits dans leâ espaces vides ( 6) aménagés entre la paroi cylindrique (i> du réac- teur et les parois ( 3) et ( 4) des compartiments catalyt Yques. Depuis les espaces ( 6), les gaz passent à travers les partis perm a- bles ( 4), pour être mis en contact avec du catalyseur. La section des compartiments ( 2 a) est choisie de façon à obtenir une bonne vitesse de gaz à travers la masse catalytique On sait que de cette vitesse de gaz dépend l'homogénéité de la distribution du gaz et l'absence de point chaud à la surface des grains de catalyseur. Selon les procédés de l'invention les vitesses de gaz doivent être de préférence comprises entre I et 200 mètres par seconde, de préférence entre 5 et 100 mètres par seconde. Les vitesses de gaz données ci-dessus sont basées sur le débit volumé- trique du gaz, ramené aux conditions normales de pression et de tempe- rature, c'est-a-dire sous la pression atmosphérique et à O O degré cen- tigrade. Dans la section ( 2 a), sous l'effet des réactions entre ces gaz, ceux- ci ont tendance, soit à s'échauffer, soit à se refroidir. Le volume de catalyseur du compartiment ( 2 a), et de même pour le volu- me des autres compartiments, est choisi de façon à maintenir la tempé- rature dans une zone optimale,soit une différence de température entre la sortie et l'entrée (réactions endothermiques) ou entre l'entrée et la sortie (réactions exothermiques) d'un compartiment comprise par exemple entre I et 100 degrés centigrades, de préférence entre 2 et degrés centigrades. A la sortie des compartiments ( 2 a), les gaz pénètrent dans l'espace vide ( 7) qui fait pendant à l'espace vide ( 6) de l'entrée. 1 o Dans cet espace, les gaz généralement sont mélangés avec du gaz frais amené par le conduit distributeur ( 8). Cette trempe (ou "quench')a pour effet de ramener les gaz à la tempé- rature d'entrée du réacteur. Depuis un espace tel que ( 7), les gaz passent par un passage tel que ( 9) aménagé entre les parois planes ( 3) et la paroi ( 1) du réac- teur pour passer sur les compartiments ( 2 b) et ainsi de suite. Sur la figure 5, on voit que le gaz est réparti symétriquement par rapport au diamètre du réacteur Il est évident qu'une circulation continue d'un bout à l'autre du réacteur fait aussi partie intégrante de l'invention. Sur la figure 4, est donnée une coupe longitudinale du réacteur Celui- ci y est représenté en position verticale. Dans certains cas, la position horizontale peut comporter des avanta- ges. C'est par exemple le cas o le réacteur étant très long, il y a une différence sensible de la pression statique entre le haut et le bas du réacteur. D O Dans le cas des réacteurs radiaux, cette différence de pression amène une mal-distribution du gaz que différentes inventions ont cherché à pallier (Brevet U S N 03 754 078, brevet Britannique n'1 118 750). Dans le cas de 1 ' invention, du fait du bon contrôle de la vitesse de circulation, ce problème présente moins d'importance Pour des tail- les extrêmes de réacteur la disposition horizontale peut se révéler cependant intéressante. Sur la figure 5, la paroi cylindrique ( 1) du réacteur est simple et monopièce. Dans le cas par exemple de la synthèse d'ammoniac, afin de ne pas di- minuer la résistance de la paroi par une température trop élevée, la paroi du réacteur peut être doublée ou sa résistance augmentée par tout dispositif adéquat. Entre les 2 parois on fait circuler du gaz frais relativement froid avant de l'introduire dans 'l réacteur. Ce gaz d'alimentation frais sera alors préchauffé par du gaz effluent soutiré de l'un ou l'autre compartiment avant d'être envoyé sur l'un ou l'autre des lits catalytiques Le préchauffeur de ce cas est dispo- sé par exemple en bout à l'intérieur du réacteur et fait donc partie intégrante des procédés de 1 ' invention. S'agissant de catalyseur fonctionnant sous des conditions sévères de pression et de température, les problèmes de chargement et de déchar- gement du catalyseur sont très importants. Les chambres parallélépipêdiques ( 2) sont ferm es a leurs deux extrémi- tés, de manière à ce que les gaz ne puissent pas passer d'une chamubre à l'autre par ces extrémités Pour cela, on peut disposer une plaque étanche telle que ( 16) à chacune des extrémités axiales desdites cham- bres (sur la figure 4, on n'a représenté que l'une de ces plaques). L'un des avantages des procédés de 1 ' invention est de permettre le chargement et le déchargement du catalyseur sans démontage du réacteur et de ses internes. Le soutirage du catalyseur est particulièrement facile selon la va- riante représentée sur la figure 4. Selon cette variante, le fond des compartiments parallèlepipédiques, au lieu d'être consituté par un fond plat, est formé par une couche ( 17) de particules solides remplissant le fond généralement elliptique du réacteur: ces particules sont caractérisées en ce que leur dia- mètre moyen dans cette couche est compris entre la moitié et le miliè- me du diamètre moyen des grains de catalyseur constituant le lit ca- talytique et de préférence entre le cinquième et le centième de ce diamètre moyen. Ces particules solides peuvent être constituées au moins partielle- ment soit du qatalyseur réduit en poudre, soit de métaux, soit de matières inertes comme de l'alumine ou du carborandum ou tout solide équivalent. Dans le présent procédé, la'charge gazeuse peut être introduite soit par en haut, soit par en bas, soit en un point quelconque de la paroi du réacteur, l'essentiel est qu'elle soit répartie ensuite verticale- ment le long des entrées perméables des enceintes catalytiques. j 2 R E V E N D 1 C A T I O N S Procdé pour en à partir de gaz, dans une zone de re-action ( 1) (voir figu-re V) par une enceint-_ de for,7 - et 12 action en coupe est sensiblerie-z le tiré prtl s e n,: e un catai-seur 2 7 e r c N c -a r t r i E C la L ile de réict or, e:; C i- e rmant le catalyseur "-el -nt da 1 -g ue Formée et 1 cannes v-_ t i z- rc ar c tr7; 5 MZ 1,ra c N 5 _,r,rnunes des enceintes :ans"'i zone îe C_- v Lant -,erméables aux gaz, -i 2 zcn-,-t î iî 1, circul Inta,-isi-jf prociw fils façon sensib'Leme" la Zrï 1 _ E, ï 1, 2 " gaz pénétrant -laî, s chaque en sortant par une paroi -pn I:)i p,i les gaz sont entrés. -0 2/ Proci 5 de melon la des Erais U charge gazeuse pén Ulrenc dans j Pa-, C tes ( 5) au voisinace de chacunedes - rerie;:es ence Irte e 2 a) leb'. plus éloignées l'une de l'autre, donc Ic_s plus la zone réactionnelle, ces -Feux enceintes êtar L ment oppose-es l'une par rapport l'autre, les zgà u la char -O trant ensuite dans chacune de ces deux traver-s une des deux parois perméables de chacune de ces deui; enccinto-4, ics, - IFîz -, Ju la orange cheminant ensuite à Vinti;rieur des deux premières oncein- tes ( 2 a) en direction de la deuxime paroi perm:' -i;-Io de c: icunè de ces deux premières enceintes, les gaz qu i t, int cha- cune de ces deux premières enceintes à travers cette deuxième paroi dite perméable et pénétrant dans une autre enceinte ( 2 b) adjacente aux deux premières enceintes ( 2 a) par une des deux parois perméables de cette autre enceinte, ces parois perméables étant celles qui sont immédiatement au voisinage des parois perméables par lesquelles étaient sortis les dits gaz des dites premières enceintes, les gaz cheminant ainsi, en deux courants distincts, de proche en proche à travers au moins une enceinte ( 2 b) et une autre enceinte ( 2 c), pénétrant dans chaque enceinte par une de ses deux parois perméables et en sortant 1 Q par l'autre paroi perméable, atteignant ainsi la ou les enceintes allongées ( 2 d) centrales, c'est-à-dire disposées sensiblement le long d'un des diamètres de la section circulaire de la zone de réaction, d'o elles sont ensuite soutirées au titre d'effluent réactionnel. 3/ Procédé selon l'une des revendications I et 2 dans lequel la vi- tesse des gaz à l'intérieur des dites enceintes est comprise entre environ I et 200 mitres/seconde. 4/ Procédé selon la revendication 3 dans lequel la dite vitesse est comprise entre environ 5 et 100 m/seconde. / Procédé selon l'une des revendications I à 4 dans lequel la zone de réaction est disposée sensiblement verticalement. 6/ Procédé selon l'une des revendications I à 4 dans lesquel la zone de réaction est disposée sensiblement horizontalement. 7/ Procédé selon l'une des revendications I à 6 dans lequel en outre, on procède à l'aide de gaz relativement froids introduits par une conduite telle que ( 8) à un refroidissement des gaz à leur sortie d'au moins une dite enceinte, telle que ( 2 a), et avant leur envoi dans une enceinte suivante, telle que ( 3 a). 8/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel le vo- lume catalytique de chaque enceinte est choisi de façon à ce que dans la dite enceinte, la différence de température entre l'entrée et la sortie ou entre la sortie et l'entrée, soit comprise entre environ I et 1000 C. 9/ Procédé selon la revendication 8 dans lequel la différence de tem- pérature est comprise entre 2 et 50 C. / Procédé selon l'une des revendications I à 9 dans lequel à la sor- tie d'au moins une enceinte, on soutire au moins une partie de l'ef- fluent gazeux soit pour le recycler dans toute autre enceinte, soit pour préchauffer une partie au moins des gaz introduits dans la zone de réaction. 11/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 10 dans lequel la par- tie inférieure de la zone de réaction, dans laquelle s'enfoncent au moins partiellement les dites enceintes, est remplie d'une couche de particules solides dont le diamètre moyen est compris entre la moitié et le millième du diamètre moyen des grains du catalyseur. 12/ Procédé selon la revendication Il dans lequel le diamètre moyen des dites particules est compris entre 1/5 et 1/100 du diamètre moyen des grains du catalyseur. 13/ Procédé selon l'une des revendications Il et 12 dans lequel les dites particules sont constituées au moins partiellement de cataly- seur réduit en poudre, ou de métaux ou de matières inertes. 14/ Appareil comportant un réacteur ( 1) (voir figure V) et de forme sensiblement cylindrique et dont la section en coupe a une forme cir- culaire, caractérisé en ce qu'il renferme une pluralité de comparti- ments ( 2) parallélépipédiques allongés adjacents les uns aux autres dont les sections en coupe s'inscrivent dans un cercle coaxial au cer- cle défini par la section circulaire de la paroi interne du réacteur, les parois adjacentes des compartiments'ou les parois conmunes des compartiments adjacents, étant des parois étanches ( 3) à des gaz, les parois latérales ( 4) desdits compartiments étant perméables à des gaz. 15/ Appareil selon la revendication 14 comportant en outre: des moyens ( 5) d'introduction d'une phase gazeui az; visinage ( 6) de chacun des deux compartiments les plus éloignés de i'ae veitical du réacteur, ces deux compartiments étant diamétrainment oppozes i'un par rapport à l'autre, des espaces ( 7) pour la circulation des gaz d'un ccnpartimnr l-'autre, ces espaces étant aménagés au voisinage de la plupart de:; parois dites perméables, entre les dites parois perr:éablis et la p? roi interne du réacteur, des lumières telles que ( 9) aménagées entre la p Gro interne u réacteur ( 1) et la plupart des parois étanches ( 3) pour a-ssumer ie passage de gaz d'un espace ( 7) dans un compartiment. 16/ Appareil selon l'une des revendications 14 et 15 comportant en outre des moyens d'introduction ( 8) de gaz, ces moyens étant disposés à la périphérie interne du réacteur dans les espaces ( 7) aménagés entre la paroi interne du réacteur ( 1) et au moins une paroi ( 4) dite perméable d'un compartiment. 17/ Utilisation du procédé selon l'une des revendications I à 13 ou de l'appareil selon l'une des revendications 14 à 16 pour la synthèse d'ammoniac à partir d'hydrogène et d'azote ou pour la synthèse de mé- thanol ou d'alcools homologues supérieurs à partir d'hydrogène et d'oxydes de carbone.