Brevet FR2676375A1 — publié le 19921120

La présente invention concerne un réacteur chimique et un procédé de mise en oeuvre de ce réacteur avec un milieu réactionnel, biphasé ou triphasé (gaz-liquide-solide). Les réacteurs fluidisés dans lesquels un solide, réactif ou catalyseur, est maintenu en suspension par un débit continu de fluide gazeux ou liquide sont bien connus dans l'industrie chimique ou pétrolière. Par ailleurs, la demande de brevet 86 18159 décrit un appareil vertical à usage de filtre et de sécheur combinés où la partie filtrante occupe la petite base d'un tronc de cône (l'appareil étant de forme générale biconique), avec un rapport entre la surface filtrante et le volume maximal de solides à l'état -1 de repos qui est compris entre 0,02 et 0,4 m L'expérience a montré qu'une telle surface filtrante même relativement réduite quand elle est combinée avec une enveloppe dont la partie inférieure est de forme conique, permet de façon surprenante une filtration rapide du liquide. Cet appareil comprend des moyens de séparation d'un solide précipité à partir d'une liqueur-mère et des moyens de séchage dudit solide. Mais dans le cas où un liquide et un solide participent tous deux à une même réaction (le cas le plus courant étant celui où le solide est un catalyseur intervenant dans une réaction effectuée en discontinu ou en continu), le problème technique qui se pose alors est celui de la séparation de ce solide, qui doit rester dans l'appareil, alors que le liquide contenant les produits de réaction, doit en être extrait. De plus, dans les systèmes fluidisés classiques, les mouvements de particules solides sont aléatoires et le seul mouvement d'ensemble possible est un transport du solide hors de l'appareil. Or, il est parfois très important d'établir une circulation méthodique des constituants du mélange réactionnel. Une telle circulation peut être réalisée en utilisant par exemple des agitateurs mécaniques de type hélice ou turbine. Ces systèmes assurent un brassage de l'ensemble avec maintien en suspension du solide. Une circulation constituée d'un flux central et d'un courant de retour périphérique peut être réalisée au moyen d'une hélice. Mais d'une part les solides en suspension doivent traverser le plan de rotation de l'hélice et subissent alors les effets de cisaillement correspondants avec l'attrition qui en résulte et, d'autre part, il est difficile d'obtenir une circulation affectant l'ensemble du mélange contenu dans le réacteur en partant du fond vers la surface et inversement. Un autre dispositif connu et utilisé à l'échelle industrielle réalise une circulation par injection d'un gaz approprié, par exemple de l'air (c), à la base d'un cylindre vertical (a) disposé lui-même à l'intérieur d'un conteneur également cylindrique et vertical (b) (figure 1). Le cylindre intérieur (a) a une hauteur telle que son bord inférieur est à une certaine distance du fond de l'appareil et son bord supérieur est au-dessous de la surface du liquide retenu dans le conteneur (b) qui comporte par ailleurs des moyens de mise à l'atmosphère (d). L'injection d'air (c) permet le maintien d'une colonne aérée et donc allégée à l'intérieur du cylindre (a) et la différence de densité entre le liquide non aéré situé dans l'espace annulaire entre (a) et (b) et le liquide aéré crée une circulation de liquide comme indiqué par les flèches sur la figure 1. Dans de tels appareillages, le rapport des sections de la colonne ascendante aérée S et de l'espace annulaire descendant 5d est a généralement compris entre 1 et 30, ne descendant vers 0,5 que dans des appareils de laboratoire. En d'autres termes la section de la colonne aérée est plutôt supérieure à celle de la section de retour de liquide pour les appareils industriels, et souvent même, largement supérieure, ce qui pose des problèmes de charge et d'encombrement. De plus, les dispositifs antérieurs nécessitent des débits d'air importants et des réseaux de distribution complexe. La présente invention permet de résoudre ces inconvénients de manière satisfaisante au moyen d'un dispositif pour la mise en oeuvre d'une réaction chimique faisant intervenir un milieu biphasé ou triphasé (liquide-solide-gaz) comprenant une enceinte verticale constituée d'une partie supérieure cylindrique surmontant une partie inférieure tronconique dont la base est pourvue de moyens d'injection de gaz et d'une surface filtrante, caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection de gaz débouchent dans ladite enceinte au travers de la surface filtrante et le rapport entre la hauteur utile Hu de la partie supérieure cylindrique et la hauteur hu de la partie inférieure tronconique est compris entre 0,5 et 2,5 et de préférence entre 0,5 et 1,5. Selon une autre caractéristique de l'invention, le rapport entre la surface filtrante Ic et le volume de la partie -1 tronconique est compris entre 0,02 et 0,4 m Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la section occupée par les moyens d'injection de gaz représente entre 1 et 5 % de la plus grande section horizontale du dispositif. Un autre objet de l'invention est un procédé de mise en oeuvre d'une réaction chimique à partir d'un milieu réactionnel biphasé ou triphasé dans un réacteur constitué d'une enceinte verticale constituée d'une partie supérieure cylindrique surmontant une partie inférieure tronconique dont la base est pourvue d'une surface filtrante, caractérisé en ce qu'on crée une circulation méthodique de la fraction liquide et de la fraction solide par injection d'un gaz au travers de ladite surface filtrante avec un ratio débit/volume utile de réacteur compris -1 entre 0,1 et 5 mn Selon une caractéristique du procédé de l'invention, on le met en oeuvre au cours d'une réaction de synthèse catalytique où la fraction solide qui comprend le catalyseur est conservée dans l'enceinte après la réaction tandis que la fraction liquide en est extraite au moyen de la surface filtrante. Le dispositif ou réacteur de l'invention diffère notablement de la technique connue et actuellement en service, notamment - des lits fluidisés par la circulation méthodique des particules solides au lieu d'un ensemble de trajectoires aléatoires - des systèmes à agitation mécanique par l'absence d'un organe tournant créant un cisaillement et - des dispositifs du type de celui représenté à la figure 1 par l'absence d'un cylindre intérieur séparant la zone de densité réduite par le débit de gaz et la zone de retour de liquide sans gaz, et surtout par une section aérée dont la surface est très faible par rapport à celle de la section totale. La structure du réacteur de l'invention permet de réaliser grâce à une injection appropriée de gaz, une circulation méthodique de la charge solide, et de la charge liquide en maintenant une vitesse relative entre liquide et solide, tout en assurant un renouvellement rapide du liquide établissant ainsi une agitation satisfaisante du réacteur à composition pratiquement homogène. Cette structure permet aussi une vidange aisée du liquide tout en conservant la fraction solide dans l'appareil. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre accompagnée des dessins sur lesquels - la figure 1 déjà mentionnée représente une vue schématique d'un dispositif selon l'art antérieur - la figure 2 représente une vue schématique du dispositif de l'invention. Le dispositif représenté sur la figure 2 comprend une enveloppe extérieure définissant une enceinte verticale 1 constituée d'une partie supérieure cylindrique la surmontant une partie inférieure tronconique lb. La base de la partie inférieure lb est pourvue d'une surface filtrante lc, le demi angle au sommet du cône étant compris entre 40 et 50 degrés. La surface de la base de la partie tronconique lb est telle que le rapport entre cette surface et le volume du tronc de cône est compris entre 0,02 et 0,4m 1. Le solide au repos peut donc occuper jusqu'à la totalité du volume défini par le tronc de cône. Le cylindre surmontant le tronc de cône a une hauteur utile Hu (hauteur occupée par le liquide) comprise entre 0,5 et 2,5 fois la hauteur hu du tronc de cône, et de préférence comprise entre 0,5 et 1,5 fois cette dernière hauteur. Les moyens d'injection de gaz 2 débouchent dans l'enceinte 1 au travers de la surface filtrante lc ou légèrement au-dessus. Ces moyens sont constitués par exemple d'une plaque percée de petits trous ou poreuse, coaxiale avec la surface filtrante et l'ensemble du dispositif. La section utile S de la a base intéressée par l'injection représente seulement entre 1 et 5 pour cent de la plus grande section horizontale du dispositif. On a constaté que malgré cette faible section relative et l'absence d'un cylindre guide vertical une circulation intense pouvait être obtenue avec des débits de gaz relativement modérés. La circulation affecte toute la masse du liquide tandis que le solide initialement compris dans le tronc de cône inférieur lb est réparti et circule dans tout le volume du dispositif avec des trajectoires régulières représentées schématiquement sur la figure 2. Le débit de gaz injecté peut être aussi faible que 0,5 m3/minute par unité de volume utile d'appareil pour des réacteurs industriels de l'ordre du millier de litres. Le ratio entre le débit de gaz en m3/minute et le volume utile de l'appareil en m3 -1 est compris entre 0,1 et 5 mn 1 suivant la vitesse de circulation recherchée dans certaines zones du dispositif. Un autre avantage du faible encombrement des moyens d'injection de gaz est que la plus grande partie de la base inférieure peut être constituée par une surface filtrante. Ceci permet d'extraire rapidement la fraction liquide par la sortie inférieure 4 située sous la surface filtrante îc en la séparant de la fraction solide qui reste dans le réacteur. Ceci est particulièrement avantageux quand il s'agit d'un catalyseur, car on évite l'usage d'un filtre extérieur nécessitant des manipulations compliquées et parfois dangereuses (cas d'un catalyseur pyrophorique). EXEMPLE 1 Un réacteur de volume utile 15 1, dont le diamètre de la partie cylindrique est de 320 mm est construit en matière plastique transparente. On y charge de l'eau et des particules dont la vitesse de sédimentation est de 5cm/sec et dont le diamètre est de 1 à 4 mm. Au repos les particules remplissent la partie conique inférieure. La base du tronc de cône a un diamètre de 120 mm et l'injecteur de gaz est constitué par une plaque perforée de diamètre 40 mm. Le ratio de la section aérée par rapport à la section totale est donc de 1/64. On utilise l'air comme gaz d'injection. Avec un débit compris entre 20 et 50 litres/minute, on obtient une circulation très active des particules, qui peut être observée aisément grâce à la construction de l'appareil en matériau transparent. Après arrêt de la circulation, la vidange du liquide est réalisée en 2 minutes, la fraction solide restant dans le tronc de cône. EXEMPLE 2 Un appareil identique à celui de l'exemple 1 est réalisé en acier inoxydable 18-8. On y charge du méthanol comme solvant, du 2-nitrobutanol et un catalyseur d'hydrogénation constitué par du palladium sur support charbon actif et on fait circuler de l'hydrogène sous une pression de 5 bars avec un débit de 30 litres/minute. La réduction du nitrobutanol en amino-butanol est terminée en 2 heures à une température de 700C. A la fin de la réaction, on extrait la fraction liquide en 3 minutes sous pression d'hydrogène, puis on rince le catalyseur au méthanol. L'appareil est alors prêt pour être immédiatement rechargé et redémarré. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la mise en oeuvre d'une réaction chimique faisant intervenir un milieu biphasé ou triphasé (liquide-solide-gaz) comprenant une enceinte verticale 1 constituée d'une partie supérieure cylindrique la surmontant une partie inférieure tronconique lb dont la base est pourvue de moyens d'injection de gaz 2 et d'une surface filtrante lc, caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection de gaz 2 débouchent dans ladite enceinte 1 au travers de la surface filtrante lc et le rapport entre la hauteur utile Hu de la partie supérieure cylindrique et la hauteur hu de la partie inférieure tronconique est compris entre 0,5 et 2,5. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit rapport Hu/hu est compris entre 0,5 et 1,5. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rapport entre la surface filtrante lc et le volume de -l la partie tronconique lb est compris entre 0,02 et 0,4 m 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section occupée par les moyens d'injection de gaz représente entre 1 et 5 % de la plus grande section horizontale du dispositif. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le demi-angle au sommet du cône est compris entre 400 et 500. 6. Procédé de mise en oeuvre d'une réaction chimique à partir d'un milieu réactionnel biphasé ou triphasé dans un réacteur constitué d'une enceinte verticale 1 constituée d'une partie supérieure cylindrique la surmontant une partie inférieure tronconique lb dont la base est pourvue d'une surface filtrante lc, caractérisé en ce qu'on crée une circulation méthodique de la fraction liquide et de la fraction solide par injection d'un gaz au travers de ladite surface filtrante îc avec un ratio débit/volume utile de réacteur compris entre 0,1 et 5 mn 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on le met en oeuvre au cours d'une réaction de synthèse catalytique où la fraction solide qui comprend le catalyseur est conservée dans l'enceinte après la réaction tandis que la fraction liquide en est extraite au moyen de la surface filtrante lc. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'on injecte le gaz au travers d'une surface représentant de 1 à 5 % de la plus grande section horizontale du dispositif.