Brevet FR2707186A1 — publié le 19950113

La présente invention a pour objet un réacteur catalytique isotherme destiné à produire une réaction catalytique sur un fluide réactif en présence d'un catalyseur. Dans de nombreuses industries, comme par exemple les industries pétrochimiques et chimiques, on utilise des procédés de traitement qui mettent en oeuvre des réacteurs dans lesquels se produisent, entre un fluide réactif et un catalyseur, des réactions chimiques qui sont en général des réactions catalytiques ayant lieu dans des conditions données de température et de pression. Ces réactions chimiques sont à des degrés divers productrices de chaleur positive ou négative, et sont alors dites exothermique ou endothermique. Or, une variation de température de la réaction déplace l'équilibre de cette réaction dans un sens ou dans l'autre, Pour éviter cet inconvénient, une solution consiste à maintenir la température constante tout au long de la réaction donc à rapporter ou à enlever de la chaleur autant qu'il s'en produit au cours de ladite réaction. Lorsque la réaction a lieu dans un réacteur adiabatique, c'est-à-dire sans échange de chaleur avec l'extérieur, la chaleur dégagée au cours de la réaction est intégralement transmise au fluide réactif qui réagit, et la conséquence immédiate est une variation rapide de la température dudit fluide de l'entrée à la sortie du réacteur. Dans ce cas, un (ou plusieurs) four(s) est (ou sont) disposé(s) à l'extérieur du réacteur et le fluide réactif circule dans ce(s) four(s) pour réguler sa température. On connaît également des réacteurs catalytiques tubulaires qui sont par exemple des réacteurs à lit fixe et des réacteurs à lit mobile. Les réacteurs catalytiques tubulaires à lit fixe comportent, dans une enceinte, une pluralité de tubes de forme sensiblement cylindrique et contiennent un lit fixe d'un catalyseur apte à provoquer la réaction catalytique avec un fluide réactif circulant dans l'enceinte du réacteur. Mais, ce type de réacteurs tubulaires présente un inconvénient qui réside principalement dans son encombrement spatial et par la même ces réacteurs sont limités en capacité de production. Les réacteurs catalytiques à lit mobile possèdent un lit de catalyseur en mouvement et le catalyseur s'écoule sous l'effet de la gravité du haut en bas du réacteur. Le fluide réactif circule à co-courant ou à contre-courant du catalyseur dans le réacteur. Si ce type de réacteurs catalytiques présente des avantages qui sont par exemple la facilité de régénération du catalyseur et le remplacement facile de ce catalyseur pendant la marche de l'unité, il présente également des inconvénients qui sont les complications nécessitées par la circulation du catalyseur dans le réacteur. De plus, le catalyseur doit posséder de bonnes propriétés mécaniques et en particulier une forte résistance à l'érosion. L'invention a pour but d'éviter ces inconvénients en proposant un réacteur catalytique isotherme destiné à produire une réaction catalytique sur un fluide réactif tout en maintenant des conditions isothermiques pendant le passage dudit fluide réactif dans le réacteur catalytique par un fluide auxiliaire caloporteur. L'invention a donc pour objet un réacteur catalytique isotherme destiné à produire une réaction catalytique sur un fluide réactif et à maintenir des conditions isothermiques pendant le passage du fluide réactif dans ledit réacteur catalytique par un fluide auxiliaire caloporteur, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de plaques parallèles les unes aux autres dont chaque plaque comporte des bords à surface lisse et une partie centrale munie d'ondulations inclinées par rapport au sens de circulation du fluide réactif et formant avec les plaques associées deux circuits de circulation desdits fluides à courants croisés et alternés entre deux jeux de plaques adjacentes, le circuit du fluide réactif comportant un catalyseur apte à favoriser ladite réaction catalytique et en ce qu'il comporte des moyens de maintien des conditions isothermiques dans le sens de circulation dudit fluide réactif. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - les moyens de maintien des conditions isothermiques sont formés par des zones différentes d'échange thermique entre le fluide réactif et le fluide auxiliaire, - les zones différentes d'échange thermique sont réparties dans le sens de circulation du fluide réactif, - les zones différentes d'échange thermique sont réparties dans le sens de circulation du fluide auxiliaire, - les zones différentes d'échange thermique sont réparties dans le sens de circulation du fluide réactif et dans le sens de circulation du fluide auxiliaire, - l'angle des ondulations des plaques par rapport au sens de circulation du fluide réactif est différent dans chacune desdites zones d'échange thermique, - l'angle des ondulations est important par rapport au sens de circulation du fluide réactif dans les zones d'échange thermique où un fort coefficient de transfert est exigé compte tenu de l'écartement choisi entre les plaques et de la quantité de chaleur à évacuer dans lesdites zones, - l'angle des ondulations est faible par rapport au sens de circulation du fluide réactif dans les zones d'échange thermique où un faible coefficient de transfert est exigé compte tenu de l'écartement choisi entre les plaques et de la quantité de chaleur à évacuer dans lesdites zones. - le nombre de plaques est différent dans chacune desdites zones d'échange thermique, - le nombre de plaques diminue de l'entrée à la sortie du fluide réactif, - le nombre de plaques augmente de l'entrée à la sortie du fluide caloporteur auxiliaire, - le réacteur comporte des moyens de maintien du catalyseur dans les canaux du circuit du fluide réactif, - les moyens de maintien du catalyseur sont formés par des grilles disposées de part et d'autre desdits canaux dans chaque zone d'échange thermique et s'étendant sur toute la largeur desdits canaux, - chaque grille possède des mailles inférieures à la taille des grains formant le catalyseur, - le fluide auxiliaire est un gaz ou un liquide. Les caractéristiques et avantages de 1' inven- tion apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un réacteur catalytique isotherme selon l'invention, montrant la circulation des fluides dans ledit réacteur catalytique, - la figure 2 est une vue schématique de face d'un exemple d'une plaque composant le réacteur catalytique isotherme selon l'invention, - la figure 3 est une vue schématique éclatée d'un réacteur catalytique isotherme selon l'invention, - la figure 4 est une vue en coupe selon le plan P de la figure 3. Sur la fig. 1, on a représenté schématiquement un réacteur catalytique isotherme selon l'invention destiné à produire une réaction catalytique sur un fluide réactif et à maintenir des conditions isothermiques pendant le passage du fluide réactif dans ledit réacteur catalytique par un fluide auxiliaire caloporteur, ainsi que le circuit des fluides. A cet effet, le réacteur catalytique isotherme comprend un empilement de plaques 10 parallèles les unes aux autres. Comme représenté à la fig. 2, chaque plaque 10 comporte des bords 11 à surface lisse et une partie centrale 12 munie d'ondulations 13 inclinées. Chaque plaque 10 forme avec les plaques 10 adjacentes deux circuits de circulation, l'un A par exemple horizontal pour un fluide réactif et l'autre B par exemple vertical pour un fluide auxiliaire. Les circuits A et B de circulation, respectivement du fluide réactif et du fluide auxiliaire, sont à courants croisés et alternés entre deux jeux de plaques 10 adjacentes. Pour cela, et comme représenté à la figure 3, des languettes 14 sont fixées, par exemple par soudage, alternativement sur les grands côtés pour une plaque 10 et sur les petits côtés pour la plaque 10 adjacente de façon à former des canaux 20 ouverts sur les grands côtés des plaques 10 dans lesquels circule le fluide réactif (circuit A) et des canaux 30 ouverts sur les petits côtés desdites plaques 10 dans lesquels circule le fluide auxiliaire (circuit B). Le circuit A de circulation du fluide réactif contient un catalyseur 15 formé par des grains de petites dimensions et de forme quelconque. Le fluide réactif en passant dans les canaux 20 du circuit A contenant le catalyseur 15 réagit et produit une réaction catalytique avec un dégagement ou une absorption de chaleur susceptible, dans un réacteur adiabatique, d'un changement de température. Ce changement de température positif ou négatif est néfaste à l'efficacité de la réaction, pour laquelle une température constante est préférable. Le fluide auxiliaire qui circule dans le circuit B a donc pour rôle de véhiculer la chaleur à apporter ou à enlever au fluide réactif selon les cas de façon à maintenir des conditions isothermiques pendant le passage dudit fluide réactif dans le réacteur catalytique. Ce fluide auxiliaire est soit un gaz, soit un liquide selon les conditions de service propres à chaque procédé. Or, on sait que l'équation fondamentale de la transmission de chaleur entre deux fluides s'écrit P = h x S x LMTD Dans cette équation P P est la quantité de chaleur échangée h h est le coefficient local ou global de transfert de chaleur, S S est la surface d'échange entre les fluides, LMTD est l'écart logarithmique de température. La connaissance des températures des deux fluides donne l'écart logarithmique de température. Le coefficient local ou global de transfert de chaleur se déduit à partir de la relation suivante h = f(a,e,dp) où a est l'angle des ondulations des plaques 10, e est la distance entre chaque plaque 10, et dp est le diamètre des grains de catalyseur. Par ailleurs, on sait que la surface d'échange entre le fluide réactif et le fluide auxiliaire se déduit de l'équation S=nxlxL dans laquelle n est le nombre de plaques 1 est la largeur des plaques L est la longueur des plaques. Compte-tenu de ces différentes conditions à respecter, le réacteur catalytique selon l'invention comporte des moyens de maintien des conditions isothermiques dans le sens de circulation du fluide réactif. Ces moyens de maintien des conditions isothermiques sont formés par des zones différentes la, lb, lc, 2a ... 4b, 4c d'échange thermique entre le fluide réactif circulant dans le circuit A et le fluide auxiliaire circulant dans le circuit B. Comme représenté sur la fig. 3 qui est un exemple de réalisation du réacteur catalytique isothermique selon l'invention, les zones différentes d'échange thermique la, lb, lc, 2a... 4b, 4c sont réparties dans le sens de circulation du fluide réactif et dans le sens de circulation du fluide auxiliaire de façon à former des lignes 1, 2, 3 et 4 et des colonnes a, b et c. Ces zones différentes d'échange thermique peuvent être réparties uniquement dans le sens de circulation du fluide réactif ou uniquement dans le sens de circulation du fluide auxiliaire. Le nombre total de zones différentes d'échange thermique nécessaires à constituer l'ensemble du réacteur catalytique pour maintenir des conditions isothermiques est égal au produit du nombre de lignes 1, 2, 3 et 4 par le nombre de colonnes a, b et c. Toutes les zones différentes d'échange thermique d'une même ligne ont la même longueur et toutes les zones différentes d'échange thermique d'une même colonne ont la même largeur. Pour obtenir des échanges thermiques différents selon les zones la, lb, lc, 2a, 2b... 4b, 4c, il est possible de modifier le dimensionnement de chacune de ces zones en jouant sur l'angle d'inclinaison des ondulations 13 par rapport au sens de circulation du fluide réactif ainsi que représenté à la figure 2 et/ou sur le nombre de plaques 10 comme représenté à la figure 4 de façon à augmenter les surfaces d'échange thermique entre le fluide réactif et le fluide auxiliaire dans chacune desdites zones, cela en tenant compte du volume de catalyseur 15 à mettre en oeuvre et de la quantité de chaleur à échanger dans chacune de ces zones. Ainsi que représenté à la figure 2, l'angle des ondulations 13 peut être important par rapport au sens de circulation du fluide réactif dans les zones d'échange thermique où un fort coefficient de transfert est exigé ou peut être faible dans les zones d'échange thermique où un faible coefficient de transfert est exigé, compte tenu de l'écartement entre les plaques 10 et de la quantité de chaleur à évacuer dans lesdites zones. De même, le nombre de plaques 10 diminue ou augmente de l'entrée à la sortie du fluide réactif. Comme on le voit sur la figure 4, certaines zones d'échange thermique peuvent comporter un nombre important de plaques 10 ou un nombre réduit de ces plaques 10. Le nombre de zones différentes d'échange thermique est déterminé par l'obligation de changer le nombre de plaques 10, c'est-à-dire l'écartement entre les plaques 10 adjacentes pour respecter la relation fondamentale P = h x S x LMTD quand la variation de l'angle d'inclinaison des ondulations 13 par rapport au sens de circulation du fluide réactif ne suffit plus à elle seule à augmenter ou à diminuer le coefficient d'échange h. ainsi, en modifiant soit l'angle d'inclinaison des ondulations 13 et/ou soit le nombre de plaques 10 dans chaque zone d'échange thermique, les conditions isothermiques sont maintenues pendant le passage du fluide réactif dans le réacteur catalytique par le fluide auxiliaire caloporteur permettant d'obtenir une température constante idéale à l'efficacité de la réaction. Par ailleurs, le réacteur catalytique selon l'invention comporte des moyens de maintien du catalyseur 15 dans les canaux 20 du circuit A du fluide réactif. Comme représenté sur les figures 3 et 4, ces moyens de maintien du catalyseur 15 sont formés par des grilles 16 disposées de part et d'autre des canaux 20 dans chaque zone la, lb, lc, 2a... 4b, 4c d'échange thermique. Ces grilles 17 s'étendent sur toute la largeur des canaux 20 et chaque grille possède des mailles inférieures à la taille des grains formant le catalyseur 15. En outre, le réacteur catalytique selon l'invention comporte entre les zones différentes (la, lb, lc, 2a...4b, 4c) d'échange thermique des moyens de mélange et de tranquilisation de fluide réactif et/ou auxiliaire. Selon la figure 4, ces moyens sont constitués, entre lesdites zones différentes d'échange thermique, par des zones intermédiaires 21 de raccordement. Comme représenté à la figure 1, le réacteur catalytique comporte, à sa partie supérieure, des moyens 31, représentés schématiquement, de distribution du catalyseur 15 dans les canaux du circuit A et, à sa partie inférieure, des moyens 32, représentés schématiquement, de récupération du catalyseur 15 au moment du changement de ce catalyseur. Le réacteur catalytique isotherme selon l'invention présente l'avantage, de par sa conception, de pouvoir maintenir par des moyens simples des conditions isothermiques pendant le passage du fluide réactif dans ce réacteur catalytique par un fluide auxiliaire caloporteur de façon à obtenir une réaction catalytique idéale. Il est aisé pour l'homme du métier, d'imaginer des variantes du réacteur catalytique isotherme selon l'invention, sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Réacteur catalytique isotherme destiné à produire une réaction catalytique sur un fluide réactif en présence d'un catalyseur et à maintenir des conditions isothermiques pendant le passage du fluide réactif dans ledit réacteur catalytique par un fluide auxiliaire caloporteur, caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de plaques (10) parallèles les unes aux autres dont chaque plaque (10) comporte des bords (11) à surface lisse et une partie centrale (12) munie d'ondulations (13) inclinées par rapport au sens de circulation du fluide réactif formant avec les plaques (10) associées deux circuits A et B de circulation desdits fluides à courants croisés et alternés entre deux jeux de plaques (10) adjacentes, le circuit A du fluide réactif contenant un catalyseur (15) apte à favoriser ladite réaction catalytique et en ce qu'il comporte des moyens de maintien des conditions isothermiques dans le sens de circulation du fluide réactif. 2. Réacteur catalytique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de maintien des conditions isothermiques sont formés par des zones différentes (la, lb, lc, 2a... 4b, 4c) d'échange thermique entre le fluide réactif et le fluide auxiliaire. 3. Réacteur catalytique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les zones différentes (la, lb, lc, 2a... 4b, 4c) d'échange thermique sont réparties dans le sens de circulation du fluide réactif. 4. Réacteur catalytique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les zones différentes (la, lb, lc, 2a... 4b, 4c) d'échange thermique sont réparties dans le sens de circulation du fluide auxiliaire. 5. Réacteur catalytique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les zones différentes (la, lb, lc, 2a..., 4b, 4c) d'échange thermique sont réparties dans le sens de circulation du fluide réactif et dans le sens de circulation du fluide auxiliaire. 6. Réacteur catalytique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle des ondulations (13) des plaques (10) par rapport au sens de circulation du fluide réactif est différent dans chacune desdites zones (la, lb, lc, 2a..., 4b, 4c) d 'échange thermique. 7. Réacteur catalytique selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'angle des ondulations (13) est important par rapport au sens de circulation du fluide réactif dans les zones (la, lb, lc, 2a..., 4b, 4c) d'échange thermique où un fort coefficient de transfert est exigé compte tenu de l'écartement choisi entre les plaques (10) et de la quantité de chaleur à évacuer dans lesdites zones. 8. Réacteur catalytique selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'angle des ondulations (13) est faible par rapport au sens de circulation du fluide réactif dans les zones (la, lb, lc, 2a..., 4b, 4c) d'échange thermique où un faible coefficient de transfert est exigé, compte tenu de l'écartement choisi entre les plaques (10) et de la quantité de chaleur à évacuer dans lesdites zones. 9. Réacteur catalytique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le nombre de plaques (10) est différent dans chacune des zones (la, lb, lc, 2a..., 4b, 4c) d'échange thermique. 10. Réacteur catalytique selon la revendication 9, caractérisé en ce que le nombre de plaques (10) diminue de l'entrée à la sortie du fluide réactif. 11. Réacteur catalytique selon la revendication 9, caractérisé en ce que le nombre de plaques (10) augmente de l'entrée à la sortie du fluide caloporteur auxiliaire. 12. Réacteur catalytique selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (16) de maintien du catalyseur (15) dans les canaux (20) du circuit A du fluide réactif. 13. Réacteur catalytique selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de maintien du catalyseur (15) sont formés par des grilles (16) disposées de part et d'autre desdits canaux (20) dans chaque zone (la, lb, lc, 2a..., 4b, 4c) d'échange thermique et s'étendant sur toute la largeur desdits canaux (20). 14. Réacteur catalytique selon la revendication 13, caractérisé en ce que chaque grille (16) possède des mailles inférieures à la taille des grains formant le catalyseur (15). 15. Réacteur catalytique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide auxiliaire est un gaz ou un liquide.