Brevet FR2554014A1 — publié le 19850503

Réacteur catalytique à support de catalyseur composé de deux plaques perforées entretoisées de tubes de refroidissement des gaz de réaction. L'invention se rapporte aux réacteurs catalytiques dans lesquels un lit catalyseur est supporté par un plaque perforée que traversent les gaz de réaction et, plus particulièrement, à ceux qui sont destinés à effectuer des réactions fortement exothermiques donnant naissance à des gaz portés à température élevée, par exemple comprise entre 800 et l2000C De tels réacteurs sont notamment utilisés dans la fabrication de l'acide nitrique et de l'acide cyanhydrique, ces exemples n'étant toutefois pas limitatifs. Dans le premier exemple, la plaque de support est entièrement réalisée en un alliage résistant aux hautes températures (800 à 10000C) et fait partie d'une structure de support appropriée. Cette solution est très onéreuse. Dans le second exemple, où les températures atteintes sont encore plus élevées que dans le premier, on est obligé d'utiliser comme support du béton ou des briques réfractaires dont la présence est souvent préjudiciable à la résistance de l'appareil à la corrosion. Dans les deux cas, les gaz sont refroidis, en aval de l'appareil, par des échangeurs de chaleur extérieurs. L'invention propose de s'affranchir de ces inconvénients en constituant la structure de support du catalyseur par deux plaques perforées dont l'une constitue l'une des parois de la chambre de réaction et supporte le catalyseur et l'autre constitue une paroi extérieure du réacteur, avantageusement le fond de celui-ci, les perforations des deux plaques étant disposées en regard et réunies entre elles par des tubes fixés aux plaques, lesdits tubes formant un réseau et l'agencement du réacteur étant tel que les gaz à réagir pénètrent dans l'espace compris entre les plaques et traversent celui-ci jusqu'à une région dépourvue de tubes où la première plaque est munie d'une ouverture d'entrée des gaz dans la chambre de réaction, et que les gaz de réaction sortent du réacteur par écoulement à l'intérieur des tubes. Dans un mode d'exécution préféré, la seconde plaque fait partie d'un échangeur de chaleur tubulaire formé par lesdits tubes, qui se prolongent à l'extérieur du réacteur. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparattront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un réacteur catalytique conforme à l'invention, et La figure 2 représente schématiquement une partie d'un tel réacteur, dans un mode d'exécution préféré où un échangeur de chaleur lui est incorporé. Le réacteur représenté à la figure 1 comprend une cuve d'acier par exemple cylindrique, fermée à sa partie supérieure par un dôme qui comporte une amenée A du fluide gazeux qui constitue la matière première de réaction et dont le fond se présente comme une plaque P1, de profil avantageusement conique, munie d'ouvertures 1 d'évacuation du fluide gazeux produit par la réaction. Une plaque P2 munie d'une large ouverture centrale C forme la base d'une chambre de réaction CR et le support d'un catalyseur K, qui peut se présenter par exemple sous la forme d'une toile de platine couverte d'anneaux en porcelaine assurant une répartition homogène du gaz. La plaque P2 est munie d'ouvertures O2 respectivement disposées en regard des ouvertures 01, chaque couple d'ouvertures 1 O2 constituant les deux extrémités d'un tube T. Les tubes, qui entretoisent ainsi les plaques P1 et P21 sont parallèles entre eux, leur direction générale étant avantageusement perpendiculaire à P2. Leur arrangement est tel que, dans le volume en forme d'anneau cylindrique qu'ils couvrent dans l'exemple figuré, leurs projections sur le plan de P2 constituent un réseau régulier à mailles carrées ou triangulaires. Le choix de la forme et des dimensions de la maille est effectué pour assurer un échange thermique convenable avec une perte de pression compatible avec le procédé. En fonctionnement, la matière première gazeuse pénètre, depuis l'espace annulaire formé par les parois cylindriques verticales et concentriques de la cuve et de la chambre de réaction CR, dans le volume compris en les deux plaques, à travers le réseau de tubes ; puis elle traverse l'ouverture centrale C, pénètre dans la chambre CR, tandis que les gaz de réaction traversent le lit catalyseur K pour être évacués par écoulement à l'intérieur des tubes T. A titre d'exemple, les gaz peuvent pénétrer en A à une température comprise entre 50 et 2000C et, après réaction, atteindre une température de 800 à 12000C. Lors du passage "amont" des gaz à température relativement basse sur la surface extérieure des tubes, ils refroidissent cette surface par convection, ainsi d'ailleurs que la -surfa- ce des plaques P1 et P2. Grâce à ce refroidissement, ces éléments sont maintenus à une température suffisamment basse pour que leur résistance mécanique ne soit pas compromise, malgré leur constitution en un matériau peu onéreux inapte à résister aux hautes températures (acier par exemple). Il y a en outre réduction notable du risque de déformation de ces éléments par les gradients thermiques. On notera que le profil conique de la plaque P1 a pour effet de faire croître progressivement la longueur des tubes de la périphérie vers le centre du réacteur, c'est-à-dire dans le sens décroissant du périmètre circulaire de la section de passage des gaz. On peut ainsi, en choisissant une conicité convenable, assurer sensiblement la constance de la vitesse des gaz, donc de l'échange thermique. Il est nécessaire de refroidir plus complètement les gaz 'aval" et ceci peut se faire, de la manière traditionnelle, en disposant unéchangeur de chaleur à l'extérieur du réacteur. La figure 2 illustre un mode d'exécution plus avantageux, dans lequel l'échangeur est incorporé à la structure meme du réacteur. On a représenté en coupe une portion des plaques P1 et P2 allant de la périphérie du réacteur à l'ouverture centrale C et une amenée périphérique A1 se présentant ici sous la forme de perforations de la plaque P2. Dans ce mode d'exécution, les tubes T sont prolongés au-delà de la plaque P1, qui constitue ainsi l'une des plaques d'un échangeur tubulaire. Les tubes T sont garnis intérieurement de manchons isolants qui s'arrêtent en M1 un peu au-delà de P1. Jusqu'en M1, l'échange thermique des gaz chauds avec la paroi des tubes T est ainsi limité, ce qui facilite le refroidissement des tubes, mais au détriment de celui des gaz chauds. Au-delà de M1, le refroidissement des gaz chauds s'effectue par échange thermique avec le fluide extérieur à travers kes tubes T non garnis et il est donc beaucoup plus énergique. I1 va de soi que les formes d'exécution décrites et représentées ne sont nullement limitatives et que diverses variantes et modifications pourront être imaginées par l'homme du métier, sans s'écarter de l'esprit de llinven- tion. Revendications de brevet 1. Réacteur catalytique comportant une plaque perforée (P2) de support d'un catalyseur (K), ladite plaque formant une paroi d'une chambre de réaction (CR), une amenée (A) d'une matière première gazeuse à une première tempé ature et une évacuation des gaz de réaction, à une seconde température sensiblement supérieure à la première, qui ont traversé les perforations de ladite plaque (P2X, caractérisé par une deuxième plaque perforée (P1) et par un réseau de tubes (T) reliant les perforations correspondantes des deux plaques (P1) et (P2), et par un agencement tel que ladite matière première gazeuse pénètre dans l'espace compris entre les deux plaques, traverse celui-ci jusqu'à une région dépourvue de tubes où la première plaque (P2) est munie d'une ouverture (C) d'entrée dans la chambre de réac- tion (CR), et que les gaz de réaction sortent du réacteur par écoulement à l'intérieur des tubes (T). 2. Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite région et ladite ouverture (C) sont sensiblement situées au centre des plaques, celles-ci ayant une région périphérique par laquelle arrive la matière première gazeuse. 3. Réacteur selon la revendication 2, caractérisé par une forme conique de la deuxième plaque (P1) qui constitue le fond du réacteur, déterminée pour maintenir sensiblement constante la section de passage de ladite matière première gazeuse de la périphérie à la région centrale dudit espace. 4. Réacteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit réseau de tubes a une distribution régulière à mailles carrées o triangulaires. 5. Réacteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la seconde plaque (P1) fait partie d'un échangeur de chaleur tubulaire formé par lesdits tubes (T), qui se prolongent à l'extérieur du réacteur (Figure 2). 6. Réacteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits tubes (T) sont garnis intérieurement d'un manchon isolant (M) au moins sur une partie de leur longueur.