Brevet FR2557813A1 — publié le 19850712

Cette invention concerne les réacteurs à pression contenant des lits de catalyseur à écoulement ascendant et plus particulièrement un réacteur de ce type comportant deux lits de catalyseur fluidisés à écoulement ascendant parallèle des courants d'alimentation dans une seule enveloppe susceptible entre mise sous pression, ainsi qu'un procédé pour utiliser un tel réacteur. A mesure que les débits nominaux pour les processus de réaction catalytique à haute pression, tels que la conversion de résidus du pétrole, l'amélioration (l'ennoblissement) d'hydrocarbures et la liquéfaction et l'hydrogénation du charbon, augmentent à tel point qu'il est nécessaire de prévoir plusieurs réacteurs, par exemple 4 à 10 unités branchées en parallèle ou suivant une disposition serie/parallèle, les colts d'investissement pour de tels réacteurs multiples augmentent considérablement. Ces augmentations du cotit sont dues en grande partie au nombre accru des fonds de récipients à haute pression nécessaires pour la construction des réacteurs. Dans le but de réduire autant que possible le nombre de récipients de réacteur à pression individuels nécessaires dans le cas de hauts débits, on a proposé d'aménager deux zones d'écoulement à réaction ou lits de catalyseur parallèles dans un seul récipient à pression de forme allongée. Bien que cette disposition augmente la longueur de chaque réacteur de façon considérable, elle réduit à la moitié le nombre des fonds emboutis coûteux nécessaires et se traduit en fin de compte par des économies globales notables en cotit et espace nécessaires pour les récipients de réacteurs devant avoir un débit d'alimentation total donne. On a déjà utilisé plusieurs zones de réaction dans des réacteurs catalytiques. Par exemple, les brevets des EUA 2 987 468 et 3 183 178 montrent l'emploi de zones de réaction à lit de catalyseur fluidisé branchées en série dans une seule enveloppe sous pression pour des traitements de pétrole. Cependant, des réacteurs comportant des lits catalytiques fluidisés branchés en parallèle dans lme enveloppe sous pression commune n'ont, apparemment, pas encore été utilisés. L'invention apporte donc un réacteur comportant deux lits de catalyseur fluidisés disposés en parallèle pour l'écoulement, et dans lequel les deux zones de réaction sont de préférence supportées par un assemblage de plateaux de grille particulier situé dans la partie extrême inférieure du réacteur.Selon une disposition préférée, la grille inférieure est supportée principalement par du matériau d'isolation thermique disposé dans le fond embouti infériedr, dans un agencement qui assure une distribution uniforme des contraintes dans la grille et le fond lors des alternances de pression et de température au cours des processus de traitement. L'invention apporte un réacteur catalytique vertical comportant deux lits de catalyseur situés l'un au-dessus de l'autre dans un seul récipient susceptible entre mis sous pression, de méme qu'un procédé pour son utilisation. Les lits du réacteur travaillent dans des écoulement partiels parallèles du courant d'alimentation global. L'invention est applicable à des processus réactionnels utilisant des lits de catalyseur à écoulement ascendant ou des lits de catalyseur fluidisés. L'effluent liquide et gazeux du lit inférieur s'écoule autour du lit supérieur et/ou à travers un ou plusieurs conduits verticaux ménagés dans le lit supérieur vers l'ouverture de sortie du réacteur. Le lit inférieur à réaction catalytique et son plateau de grille, assurant une distribution uniforme de l'écoulement dans le lit, peuvent être supportés de n'importe quelle manière adéquate, par exemple au moyen d'un support annulaire prévu dans l'enveloppe du réacteur ; cependant, le plateau de grille inférieur est de préférence supporté principalement sur du matériau réfractaire d'isolation thermique coulé dans le fond du récipient du réacteur. Le lit de réaction catalytique du haut est supporté par son conduit vertical d'admission, lui-même attaché à et supporté par le plateau de grille inférieur. L'un des avantages de cette configuration de réacteur à deux lits de catalyseur est que le nombre total de récipients nécessaires pour un réacteur devant avoir un débit dlalimentation total particulier est réduit de moitié, puisque les lits sont agencés en tandem, deux lits de catalyseur dans chaque enveloppe à pression. Ainsi, bien que chaque enveloppe ou récipient du réacteur soit rallongé, on peut se contenter de moins de fonds emboutis et de moins de tuyauteries extérieures, ce qui apporte des économies globales considérables. Les lits de catalyseur travaillent en phase entièrement liquide et l'effluent des deux lits est extrait par l'extrémité supérieure du récipient de pression commun et est envoyé à un traitement consécutif, tel qu'une séparation de phases externe. Selon 'une variante de réalisation du réacteur à deux lits fluidisés de l'invention, au lieu de faire passer tout l'effluent du lit de catalyseur inférieur autour du lit de réaction supérieur, ce dernier est traversé de conduits tubulaires de montée pour l'éva- cuation de l'effluent du lit inférieur. De même, le lit inférieur est de préférence supporté principalement sur le matériau réfractaire coulé dans le fond du réacteur, comme indiqué dans ce qui précède, et est empoché d'effectuer un mouvement notable vers le haut grâce à la prévision d'organes de tension s'étendant entre l'assemblage de grille et le fond du réacteur. Le lit de catalyseur supérieur et son assemblage de plateaux de grille sont depréférence supportés par l'assemblage de plateaux de grille pour le lit inférieur. La pression de travail adéquate pour un tel réacteur peut varier entre un minimum d'environ 14 bars et un maximum d'environ 700 bars (200 psig à 10 000 psig) ; les températures du réacteur seront habituellement comprises entre environ 148 et environ 8160C (300 à 1 5000F). Les réacteurs travaillant à des températures supérieures à environ 2040C (4000F) seront habituellement garnis intérieurement d'un matériau d'isolation thermique solide qui résiste à l'abrasion. Cette configuration de réacteur est particulièrement utile pour le traitement catalytique à l'hydrogène de courants d'alimentation d'hydrocarbures, par exemple pour la conversion de pétrole et l'hydrogénation de charbon, où le matériau catalyseur sous forme de particules est introduit avec le courant d'alimentation. ta taille des particules du catalyseur pour la mise en oeuvre de l'invention sera habituellement comprise entre 0,149 et 0,84 mm (20-400 mesh). Les particules de catalyseur peuvent avoir n'importe quelle forme, sphérique par exemple ou etre constituées par des extrudés. Le catalyseur utilisé est extrait séparement de chaque lit dans la mesure nécessaire pour maintenir le niveau désire d'activité catalytique. Bien que l'invention soit applicable de manière générale aux réacteurs comportant des lits de catalyseurs en forme de particules de n'importe quel type à écoulement ascendant, elle est appliquée de préférence et avec le plus d'avantages aux lits de catalyseurs fluidisés du type décrit dans le brevet des EUA nO Re, 25,770 au nom de Johanson. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 montre schématiquement un réacteur contenant deux lits branchés en parallele, selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue semblable d'un réacteur selon une variante de réalisation - la figure 3 est une coupe axiale à plus grande échelle de 1 'extrémité inférieure du réacteur de figure 2 ; et - la figure 3a montre à plus grande échelle l'un des organes de tension utilisés sur le fond du réacteur de figure 2. Le réacteur représenté sur la figure 1 est désigné dans son ensemble par 10 et contient un lit de catalyseur inférieur 12 et un lit de catalyseur supérieur 20. Le liquide alimentant le lit inférieur 12 arrive par un conduit ou passage annulaire 14 puis à travers l'assemblage de plateaux de grille 16, contenant de multiples orifices ou tuyères 16a. Le lit de catalyseur est dilaté par le courant d'alimentation ascendant, qui est habituellement un mélange de liquide et de gaz, jusqu'au niveau supérieur 12a. L'assemblage de plateaux de grille 16 est supporté principalement par du matériau réfractaire d'isolation 17 disposé dans le fond embouti inférieur 18 du récipient du réacteur 10 ce support est réalisé de manière à permettre la dilatation thermique uniforme de la grille 16 par rapport à la paroi latérale du récipient et de son fond 18. La grille 16 est également empochée d'effectuer un mouvement notable vers le haut sous l'effet de la différence de pression en amont et en aval des tuyères alimentées par le conduit d'admission 15. Du catalyseur frais est introduit selon les besoins en mélange avec l'alimentation et le catalyseur utilisé est extrait à travers un conduit 13 dans la mesure nécessaire pour maintenir l'activité catalytique désirée dans le lit. Le lit de catalyseur supérieur 20 est disposé parallèlement au lit inférieur 12 pour ce qui concerne la circulation des fluides, le liquide d'alimentation montant à travers un conduit d'admission central 21. Le lit de catalyseur 20 est également dilaté par le fluide ascendant, jusqu'au niveau 20a comme le lit de catalyseur inférieur. te conduit central 21 assure en outre le support pour le lit supérieur 20 et l'assemblage de plateaux de grille 22 du haut à partir de la grille inférieure 16. L'effluent du lit inférieur 12 passe autour du lit centré 20 à travers un passage annulaire 24 et est combiné avec l'effluent du lit supérieur 20 avant qu'il ne quitte le réacteur à travers l'ouverture de sortie 26.Du catalyseur frais est ajouté selon les besoins en mélange avec le courant d'alimentation et le catalyseur utilisé est extrait à travers un conduit 23 de manière semblable au lit inférieur, le conduit 23 étant disposé de préférence dans le conduit d'admission 21. Le rapport longueur/diamEtre pour chaque lit de catalyseur à l'état stabilisé doit etre compris entre environ 1/1 et 10/1, les rapports les plus bas étant appliqués habituellement pour les lits de diamètre relativement grand. Le pourcentage d'expansion du lit pendant le fonctionnement devrait entre compris entre environ 30 et 150 % de la hauteur à l'état stabilisé. Pour des réacteurs ayant des températures de fonctionnement normal supérieures à environ 2040C (4000F), un garnissage intérieur 19 d'isolation thermique sera habituellement prévu en un matériau réfractaire solide qui résiste à ltérosion, par exemple en Fractocrete no 3 400 produit par Combustion Engineering Company. Le réacteur 10 de l'exemple représenté sur la figure 2 possède un système d'écoulement différent au niveau du lit de cata viseur supérieur 20. En plus du passage annulaire 24 qui l'entoure pour l'effluent du lit de catalyseur inférieur 12, le lit supérieur 20 est traversé dans ce cas de plusieurs conduits verticaux 28. Ceux-ci traversent la grille supérieure 22 et s'étendent jusqu'à une certaine hauteur au-dessus du niveau 20a du lit de catalyseur à l'état dilaté. Par conséquent, si, pour une raison quelconque, le passage annulaire 24 est obstrué pendant le fonctionnement, les passages supplémentaires 28 restent disponibles pour évacuer l'affluent du lit inférieur 12 vers la sortie 26. Le lit supérieur 20 et la grille 22 sont dans ce cas également supportés par le conduit 21, lui-meme supporté par la grille inférieure 16 qui est principalement soutenue par l'isolation réfractaire 17 située dans le fond 18 en bas. Cette disposition de support des grilles permet aux dilatations thermiques différentielles des grilles 16 et 22 et de la paroi 19 du réacteur de s'effectuer de manière uniforme.Une couche 17a de fibres réfracta ires, par exemple une couche de Kaowool fournie par un Babcock Wilcox Company, est disposée de préférence entre le plateau inférieur de la grille 16 et l'isolation réfractaire 17 afin d'assurer un contact plus uniforme entre ces éléments. Egalement comme mentionné déjà, l'assemblage de plateaux formant la grille inférieure 16 est empoché d'effectuer un mouvement notable vers le haut, sous l'effet de la pression différentielle sur les tuyères 16a, par des organes de tension 30 s'étendant de la grille 16 à travers l'isolation réfractaire 17 jusqu'au fond 18 du réacteur.Un ressort de compression 32, de préférence un ressort du type empilage de rondelles Belleville, est prévu à 11 extrémité supérieure de chaque organe de tension 30 pour permettre des d ilatations thermiques des éléments et presser la grille vers le bas contre l'isolation 17. Comme le montrent les figures 3 et 3a, un capot 34, qui est étanche la pression, est prévu sur chaque organe de tension 30 pour le maintien de la pression du réacteur à l'intérieur de la grille 16. te ressort 32 permet un mouvement limité vers le haut, comme indiqué par la double flèche verticale sur la figure 3a, et le montage de ce ressort permet en outre un mouvement limité dans le sens horizontal. Bien que la grille inférieure 16, supportée principalement par l'isolation rigide 17, soit représentée ici dans un système à deux lits de catalyseur, une telle disposition de grille est applicable également avec avantage dans un réacteur qui ne comporte qu'un seul lit de catalyseur. Dans les exemples représentés, la grille inférieure 16 comporte un élément inférieur conique qui est attaqué par les organes de tension et de retenue 30, comprenant chacun une tige fixée par son extrémité inférieure au fond 18 et dont l'extrémité supérieure porte le ressort de compression 32 et un écrou par exemple. Il va de soi que d'autres moyens de tension et de retenue sont possibles également. Par exemple, il est possible de combiner les tuyères 16a de la grille inférieure avec des tiges et éventuellement des ressorts pour produire une action semblable à celle des organes de tension 30. Le mouvement vers le haut de la grille inférieure 16 peut également être limité par une liaison tubulaire entre le diamètre intérieur de la grille, ou de son ouverture centrale, et l'ouverture d'admission dans l'extrémité inférieure du réacteur. L'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et l'homme de l'art pourra y apporter diverses modifications, sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Réacteur catalytique comprenant un récipient vertical susceptible d'entre mis sous pression et possédant un fond en haut et en bas, dans lequel est disposé un assemblage de plateaux formant une grille de support et de distribution d'écoulement pour un lit de catalyseur, caractérisé en ce qu'il contient une grille de support et de distribution(l6)surmontée d'un lit de catalyseur (12) dans la partie inférieure du réacteur et une grille de support et de distribution (22) surmontée d'un lit de catalyseur (20) dans la partie supérieure du réacteur, la grille supérieure (22) étant supportée par la grille inférieure (16) par l'intermédiaire d'un long conduit d'admission (21), la grille supérieure étant agencée pour que l'effluent du lit inférieur passe en dérivation sans venir en contact avec le catalyseur du lit supérieur, un conduit (15) étant prévu pour introduire, notamment de bas en haut un courant d'alimentation dans le lit inférieur et ledit long conduit d'admission (21) servant à l'introduction séparée d'un courant d'alimentation dans le lit supérieur, l'extrémité supérieure du réacteur présentant une sortie (26) pour l'extraction combinée des effluents des deux lits de catalyseur (12, 20). 2. Réacteur selon la revendication 1, où le lit supérieur (20) possède un diamètre plus petit que le diamètre de la paroi interne (19) du récipient (10) et est centré, de sorte qu'fun espace annulaire (24) est formé entre le lit et la paroi du récipient pour le passage de 1'effluent du lit inférieur. 3. Réacteur selon la revendication 1 ou 2, où le lit supérieur (20) est traversé de conduits verticaux (28) pour le passage de l'effluent du lit inférieur (12) vers la sortie (26) du réacteur. 4. Réacteur selon l'une quelconque des revendications I à 3, où un conduit (23) d'évacuation du catalyseur utilisé est disposé à l'intérieur du conduit d'admission (21) supportant la grille et le lit supérieurs. 5. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, où la grille inférieure (16) est supportée principalement par du matériau d'isolation thermique (17) disposé dans le fond (18) en bas du réacteur et est empêchée d'effectuer un mouvement important vers la haut, sous l'effet d'une pression différentielle, par des organes de tension et de retenue (30) possédant des ressorts de compression (32) et s'étendant entre la grille (16) et le fond (18) en bas du réacteur, les ressorts de compression pressant la grille inférieure (16) contre le matériau d'isolation (17). 6. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, possédant un garnissage intérieur (19) d'isolation thermique en matériau solide. 7. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, où l'une des grilles (16, 22) ou chacune d'elles présente des orifices ou des tuyères (l6a, 22a) dans sa surface supérieure et les organes de tension et de retenue (30) comprennent des tiges entre la grille inférieure (16) et le fond (18). 8. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, oìì le mouvement vers le haut de la grille inférieure (16) est limité par une liaison tubulaire entre le diamètre intérieur de la grille et l'orifice d'admission pour les tuyères. 9. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, où la grille inférieure possède une ouverture centrale dans un élément inférieur conique, par lequel la grille est retenue dans son mouvement vers le haut sous l'effet d'une pression différentielle sur la grille. 10. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, où une couche de fibres (17a) est prévue entre la grille inférieure (16) et le matériau d'isolation (17) dans le fond (18) en bas du réacteur.