Brevet FR2615407A1 — publié le 19881125

SYSTEME MODULAIRE DE DISTRIBUTION D'UN COURANT DE GAZ DANS UN REACTEUR, NOTAMMENT UN REACTEUR CATALYTIQUE. La présente invention se rapporte à un système modulaire de distribution d'un courant de gaz dans un réacteur, compor- tant un réservoir ou un conteneur à l'intérieur des parois duquel est disposé un lit pour un catalyseur ou une substance en grains de granulés avec lequel le gaz doit réagir, ce lit étant au moins partiellement entouré de grilles perméables aux gaz; elle cincerne également un réacteur dans lequel on utilise une pluralité de modules dudit système. Dans les réacteurs de type connu, le lit ou chaque lit de granulés à travers lequel doit s'écouler le gaz est entou- ré au moins sur un côté, par des plaques perforées ou des grilles, à travers lesquelles peut s'écouler le gaz. Les grilles peuvent être disposées à la fois à l'entrée et à la sortie du lit ou à la partie inférieure du lit dont la face supérieure reste ouverte. Dans le premier cas, l'écoulement est typiquement horizontal, tandis que l'écoulement est verti- cal dans le second cas. Dans tous les cas, les grilles doivent être capables de résister à la pression du poids des granulés. Dans les réacteurs connus, l'entrée de gaz est disposée de telle façon que le gaz soit distribué selon un niveau de pression uniforme autour de la face d'entrée, et que l'on soit sûr que la résistance à l'écoulement est identique indépendamment du trajet d'écoulement. Une méthode utilisée fréquemment pour obtenir des trajets d'écoulement uniformes, consiste à disposer le lit selon une symétrie de rotation par rapport à un axe, et à réaliser un écoulement radial à travers le lit annulaire pour les granulés, qui est situé dans l'espace intermédiaire entre les grilles disposées selon deux enveloppes cylindriques, l'enveloppe extérieure formant l'entrée et l'enveloppe intérieure formant la sortie du lit. Afin d'améliorer encore l'uniformité de l'écoulement, on peut disposer une enveloppe présentant une pluralité d'ajutages à l'extérieur de la grille sur la face d'entrée, de telle façon que le gaz soit obligé de traverser les ajutages avant de pénétrer dans les granulés à travers la grille. Dans certains cas, l'accessibilité au lit est si res- treinte à l'intérieur de la paroi du réservoir que la struc- ture des enveloppes concentriques à l'intérieur du réservoir est inaccessible. C'est en particulier le cas si le diamètre de l'ouverture que doivent traverser les grilles et l'enve- loppe avec les ajutages, afin d'être assemblées pour constituer un support du lit de granulés, est notamment inférieur au diamètre, de la grille extérieure et de l'enveloppe avec les ajutages. L'objet de la présente invention est de proposer un système de distribution modulaire comportant des moyens qui peuvent passer séparément à travers une ouverture relativement étroite, et grâce auxquels il soit possible de réaliser des canaux d'admission de gaz assurant dans le réservoir un écoulement uniforme du gaz à travers le granulés, à la fois selon un schéma d'écoulement parallèle ou selon un schéma d'écoulement radial. Selon l'invention, ce résultat est obtenu du fait que chaque module de distribution comporte un tube allongé ou oblong, qui est fermé à l'extrémité et ouvert pour l'entrée du gaz à l'autre extrémité, ce tube présentant une paroi latérale arrière imperméable aux gaz et dont la forme correspond aux parois du réservoir et une face frontale comportant une grille perméable aux gaz et à l'intérieur de laquelle est prévue une tôle ou une plaque munie d'une pluralité d'ajutages. Grâce au fait que les modules sont réalisés en forme de tube allongé, ils sont capables de traverser des ouvertures relativement étroites. Après les avoir introduit dans le réservoir, on peut les disposer avec leur face arrière imperméable aux gaz le long de la paroi du réservoir, leur face de grille perméable aux gaz étant disposée vers l'intérieur du réservoir qui est ensuite rempli de granulés. La tôle ou la plaque munie d'ajutages à l'intérieur de la grille garantit qu'une perte de charge sera mise en oeuvre juste avant que le gaz ne pénètre dans les granulés à travers la grille, afin de garantir l'éta- blissement d'un écoulement uniforme à travers la grille sur la face avant du module constituant un élément de distribution. La section transversale des modules est de préférence telle qu'une pluralité d'éléments disposés côte à côte forment une face arrière imperméable aux gaz et une face avant sensiblement recouverte par la grille et la plaque à ajutages. Grâce à un tel agencement des éléments, on peut obtenir les mêmes trajets d'écoulement qu'avec les lits réalisés à partir d'enveloppes cylindriques cohérentes. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la plaque à ajutages est fixée aux deux bords longitudinaux de la grille. Du fait que la plaque dans laquelle sont prévus les ajutages, est réalisée à partir d'une tôle métallique mince munie de trous, dont le diamètre est de préférence supérieur à 0,7 fois l'épaisseur de la tôle, il est avantageux de faire reposer la plaque sur la grille, auquel cas la plaque n'a pas besoin d'être rigide pour résister, sans flexion, à la diffé- rence de pression provoquée par la perte de charge à travers les ajutages. Dans d'autres cas, la plaque munie d'ajutages peut prendre la forme d'un tube traversant toute la longueur du module, ce tube étant assemblé au reste du module de façon étanche aux gaz à l'extrémité ouverte du module. Le tube muni d'ajutages peut présenter la même section transversale que le module et peut, de préférence, être muni d'ajutages uniquement sur la face qui est tournée vers la grille. Le module de distribution selon l'invention peut être utilisé, de préférence, dans un réacteur catalytique pour la synthèse de l'ammoniac. Un tel réacteur comporte une enveloppe résistante à la pression munie d'un trou d'homme et de pièces de liaison pour l'entrée et la sortie d'un gaz de synthèse de l'ammoniac et d'au moins un lit catalytique, en forme de lit annulaire, disposé entre des parois perforées concentriques placées coaxialement à l'intérieur de l'enveloppe résistante à la pression et délimitées en direction axiale par des parois sensiblement étanches aux gaz. Selon l'invention, la paroi extérieure est réalisée à l'aide du systeme de distribution modulaire selon l'invention, les modules étant disposés à proximité les uns des autres, avec leur face arrière imperméable tournée du côté opposé au lit catalytique. Un mode de réalisation préféré du réacteur dans lequel les contraintes thermiques sur l'enveloppe résistante à la pression sont réduites, est caractérisé en ce que l'on prévoit, à l'intérieur de l'enveloppe résistante à la pression, une enveloppe intérieure concentrique étanche au gaz, afin de réaliser un intervalle annulaire étroit entre l'enveloppe résistante à la pression et l'enveloppe intérieure et qui présente un espace dans lequel une partie du gaz de synthèse est dirigée pour refroidir l'enveloppe résistante à la pression avant qu'elle ne soit dirigée vers le lit catalytique et en ce que les modulaires sont appliqués, par leur face arrière, contre l'enveloppe interne. D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaàl- tront à la lecture de la description d'un mode de réalisation de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé qui représente un réacteur catalytique ou chi- mique à écoulement radial à travers un lit de granulés conte- nant un catalyseur et dans lequel l'entrée de gaz en direction du lit est réalisée à l'aide d'un système de distribution modulaire selon l'invention. Sur ce dessin: - la figure 1 représente une coupe longitudinale à tra- vers le réacteur, - la figure 2 représente une coupe à travers un module ou élément selon l'invention, et - la figure 3 représente en vue fragmentaire une section transversale du réacteur selon la figure 1. Le réacteur, représenté en coupe longitudinale à la figure 1, comporte un réservoir 1 ou un conteneur réalisé sous la forme d'une enveloppe résistante à la pression qui comporte à une extrémité, un trou d'homme 2 afin de permettre l'accès pour l'inspection et le remplacement du catalyseur à l'inté- rieur du réservoir. A l'autre extrémité du réservoir, est 2615407 - - montée une pièce de liaison 3 à l'entrée d'un canal central de gaz 4. Le catalyseur sous forme de granulés 6 est disposé entre des moyens de distribution 5 et une grille interne de sortie 7. Le gaz s'écoule à partir de l'entrée 3 le long du trajet indiqué par les flèches et quitte le réservoir à tra- vers la pièce de liaison à la sortie 8. Les modules 5 du système de distribution modulaire sont représentés à la figure 1 en coupe longitudinale. Ils sont ouverts à leur extrémité supérieure sur le dessin tandis que leur extrémité inférieure est obturée. La figure 2 représente une coupe à travers un module de distribution 5. Ce module présente une face frontale ou avant, comportant une grille 9 munie d'ouvertures à travers lesquel- les le gaz peut s'écouler, mais ces ouvertures sont plus petites que la granulométrie des granulés 6. Les bords longi- tudinaux de la grille 9 sont reliés à une paroi arrière 10 qui présente une forme qui correspond généralement à la paroi intérieure du réservoir 1. A l'intérieur du module de distri- bution, est placée une mince tôle métallique 11 comportant un grand nombre de trous de distribution répartis de façon sensi- blement uniforme. La taille des trous est supérieure à 0,7 fois l'épaisseur de la tôle. Cette valeur correspond à la limite pour laquelle la forme des bords des trous n'a pas d'influence sensible sur la résistance à l'écoulement à travers les ajutages formés par les trous. Afin d'utiliser un grand nombre de trous placés à proximité les uns des autres, il est souhaitable que la tôle 11 soit mince, mais dans ce cas elle ne peut pas résister sans fléchir aux forces dues à la différence de pression provoquée par la résistance à l'écoulement à travers les trous. Il peut être avantageux dans quelques cas que la tôle 11 soit en relation étroite avec la grille 9 et soit supportée par elle. La figure 3 montre en vue fragmentaire une partie de la coupe à travers le réacteur selon la figure 1. Les modules de distribution 5 sont montés avec leur face arrière disposées en face de la paroi intérieure du conteneur ou réservoir 1. Les modules 5 peuvent être disposés, comme représenté selon un alignement espacé, ou éventuellement à proximité les uns des autres, en formant ainsi une paroi qui est étanche aux gaz sur sa face arrière et dont la face frontale ou avant forme sensi- blement une grille. Sur le dessin sont également représentés le passage de gaz 4 et la grille interne 7. Le système de distribution modulaire 5 et les autres parties du réacteur, sont installés dans le réservoir 1 à travers le trou d'homme 2. Après la fermeture du couvercle du trou d'homme 2, on peut mettre le réacteur en service. Le gaz s'écoule à travers l'entrée 3, puis le passage 4, vers l'es- pace situé au-dessus du lit de catalyseur 6, d'o il s'écoule vers le bas à travers le système de distribution 5. Par suite de la perte de charge due à l'écoulement du gaz à travers les ajutages ou les trous dans les tôles ou les plaques 11, on obtient une distribution régulière de l'écoulement entre tous les modules disposés circulairement le long de la paroi du réservoir 1, comme représenté à la figure 3. La perte de charge a également pour effet de faire que le débit massique du gaz soit sensiblement le même à travers tous les trous dans les tôles ou les plaques 11. On obtient ainsi un écoulement radial sensiblement uniforme à travers les granulés 6 en direction de la grille interne 7, cet écoulement se poursuivant à travers l'intervalle étroit entre la grille 7 et le passage 4 vers la sortie 8, à travers laquelle le gaz quitte le réacteur. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Système de distribution modulaire pour distribuer un flux de gaz dans un réacteur, comportant un réservoir ou conteneur à l'intérieur des parois duquel est disposé un lit pour un catalyseur ou une substance en grains en granulés avec lequel le gaz doit réagir, ce lit étant au moins partiellement entouré de grilles perméables au gaz, caractérisé en ce que chaque module de distribution comporte un tube allongé ou oblong (5) qui est fermé à une extrémité et ouvert pour l'entrée du gaz à l'autre extrémité, ce tube présentant une paroi arrière imperméable aux gaz (10) dont la forme correspond aux parois du réservoir (1) et une face frontale comportant une grille perméable aux gaz (9) et à l'intérieur de laquelle est disposée une tôle ou une plaque (11) munie d'une pluralité d'ajutages. 2.- Système de distribution modulaire selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la section transversale des modules présente une forme telle que les modules, lorsqu'ils sont placés côte à côte, forment une paroi arrière (10) sensiblement imperméable au gaz et une face frontale qui est sensiblement couverte par la plaque à a.jutages (11) et par la grille (9). 3.- Système de distribution modulaire selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que les orifices des ajutages présentent un diamètre supérieur à 0,7 fois l'épaisseur de la plaque ou tôle (11). 4.- Système de distribution modulaire selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la plaque (11) munie d'ajutages est fixée aux bords longitudinaux de la grille (9). 5.- Système de distribution modulaire selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la plaque (11> munie d'ajutages est constituée par un tube intérieur s'étendant sur toute la longueur du module et qui est reliée au module à son extrémité ouverte par une liaison étanche au gaz. 6.- Système de distribution modulaire selon la revendica- tion 5, caractérisé en ce que la section transversale du tube intérieur est légèrement plus faible que la section transversale du module, le tube intérieur étant disposé à proximité immédiate de la paroi intérieure du module. 7.- Système de distribution modulaire selon la revendica- tion 6, caractérisé en ce que les ajutages du tube sont disposés dans la partie du tube faisant face à la grille (9). 8.- Réacteur pour la synthèse de l'ammoniac comportant une enveloppe résistante à la pression munie d'un trou d'homme et de pièces de liaison pour l'entrée et la sortie d'un gaz de synthèse d'ammoniac et d'au moins un lit catalytique en forme de lit annulaire disposé entre des parois concentriques perforées disposées coaxialement à l'enveloppe résistante à la pression et limitées en direction axiale par des parois sensiblement étanches au gaz, caractérisé en ce que la paroi extérieure est constituée par des modules selon l'une des revendications 1 à 7, disposés à proximité les uns des autres, leur face arrière imperméable (10) étant située du côté opposé au lit catalytique (6). 9.- Réacteur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une enveloppe intérieure concentrique étanche au gaz est disposée à l'intérieur de l'enveloppe résistante à la pres- sion (1), afin de constituer entre l'enveloppe résistante à la pression (1) et l'enveloppe intérieure, un intervalle annulaire étroit d'o une partie du gaz de synthèse s'écoule pour refroi dir l'enveloppe résistante à la pression (1) avant d'être dirigée vers le lit catalytique (6) et en ce que les modules sont disposés de telle façon que leur face arrière (10) soit placée le long de l'enveloppe intérieure.