Brevet FR2722706A1 — publié le 19960126

L'invention concerne un perfectionnement aux enceintes dans lesquelles s'écoule un lit de particules solides, dit lit mobile. Elle s'applique particulièrement aux réacteurs en lit mobile et notamment aux réacteurs catalytiques en lit mobile, tels que ceux utilisés pour le réformage catalytique. Dans les unités en lit mobile dans lesquelles la circulation du solide, catalytique ou non, de forme sphérique ou non, est réalisée en lit dense s'écoulant verticalement sous l'effet de la pesanteur, les parois qui limitent la zone granulaire comportent le plus souvent 2 grilles cylindriques de diamètre différent. Le fluide, en phase liquide ou plus souvent gazeuse, ou 1 0 éventuellement les fluides (gaz et liquide, ou liquide et autre liquide non miscible) traverse le lit granulaire (et dans ce cas annulaire) en écoulement croisé, c'est à dire en écoulement radial, de l'extérieur vers l'intérieur, ou inversement de l'intérieur vers l'extérieur. Après avoir traversé la grille cylindrique d'entrée, le fluide traverse donc le lit, puis sort de l'espace annulaire contenant le milieu granulaire en passant à travers une seconde grille, la grille de 1 5 sortie, concentrique à la grille d'entrée. L'écoulement du (ou des) fluide (s) à travers le lit provoque une perte de charge qui dépend de plusieurs facteurs dont les principaux sont la taille et la forme des particules, les propriétés du ou des fluides et le débit (du ou des) fluide(s). Cette perte de charge se traduit par une poussée du fluide sur les particules solides dans le sens de l'écoulement du fluide. 2 0 Cette poussée qui s'exerce vers la grille de sortie du fluide modifie l'ensemble du bilan des forces auxquelles sont soumises les particules solides (billes par exemple). Ce phénomène est de nature à entraîner des inconvénients, comme le ralentissement du mouvement des particules qui sont contre la paroi, ou même leur blocage contre ladite grille de sortie et leur arrêt complet, ce qui d'une part nuit gravement à la bonne utilisation systématique de ces 2 5 particules, mais peut aussi d'autre part provoquer le ralentissement ou même l'arrêt d'autres particules, voire, de proche en proche le blocage complet du lit (par exemple catalytique) et l'arrêt complet de la circulation du solide. Ce phénomène est d'autant plus accentué que la poussée du ou des fluides est forte, et donc que la capacité de l'unité est élevée. Ce phénomène de blocage constitue donc une limitation importante à l'augmentation de 3 0 capacité des unités. Il est donc particulièrement intéressant de mettre en place les dispositions et dispositifs qui diminuent l'amplitude de ce phénomène. Ce problème se pose avec acuité dans les unités catalytiques, telle que le réformage catalytique. Le risque de blocage des particules catalytiques sur les grilles conduit à diminuer 3 5 alors fortement les débits de gaz à traiter donc les capacités des unités. De plus, au cours des différents traitements, comme en particulier la régénération des particules catalytiques, ou les transferts entre les réacteurs ou entre les réacteurs et les régénérateurs. il se forme des fragments de bille qui se bloquent très vite sur les grilles. Cette population fragmentée accélère le phénomène de blocage. L'objectif de l'invention est de diminuer les risques de blocage des particules, donc de diminuer la force de frottement contre cette grille et en particulier la poussée, exercée par la phase fluide sur le milieu granulaire et plus précisément sur les particules qui sont en contact 1 0 avec la grille de sortie. L'invention a également pour but d'augmenter les capacités des réacteurs actuels en lit mobile, et en particulier des réacteurs de réformage catalytique. L'invention s'applique particulièrement bien au cas des particules solides de diamètre 1 5 moyen compris entre 0,1 et 6 mm, et de préférence entre 1,5 et 3,5 mm, voire entre 1,5 et 3,2 mm. Plus précisément, l'invention a pour objet une enceinte délimitée par au moins une paroi, comportant 2 0. au moins une ouverture pour l'introduction de particules granulaires solides, au moins une grille délimitant un lit mobile desdites particules qui circule dans renceinte dans une direction sensiblement parallèle à ladite grille; au moins une ouverture pour l'introduction d'au moins un fluide qui circule dans ledit lit dans une direction différente de celle de l'ensemble des particules, et sort du lit par au moins 2 5 une grille; au moins une ouverture pour la sortie du fluide de l'enceinte, au moins une ouverture pour la sortie des particules de l'enceinte, ladite enceinte comportant également au moins une paroi dite intermédiaire située dans le lit de particules, perméable au fluide 3 0 mais non perméable aux particules granulaires solides et disposée sensiblement dans le sens de l'écoulement des particules. Par enceinte, on comprend un réacteur, un silo... ou plus généralement une zone délimitée par au moins une paroi Le cas le plus courant est un réacteur (tel que pour le réformage catalytique ou autre réaction chimique) à axe vertical comportant une paroi cylindrique, un fond et un toit. D'autres formes de réacteur peuvent convenir tel que celui décrit dans le brevet US- 5,013,426 comportant une suite de compartiments parallèles contenant un lit catalytique. Un lit mobile de particules solides est formé dans l'enceinte, I'apport des particules est réalisé au moyen d'au moins une ouverture, et leur sortie par au moins une ouverture. 1 0 Dans l'enceinte, le lit de particules peut être délimité généralement par une grille et une paroi. C'est le cas par exemple lorsque la grille est cylindrique et le lit circule entre la paroi cylindrique du réacteur et la grille; par au moins deux grilles dites extérieure et intérieure. De préférence, les grilles sont parallèles 2 à 2 ou concentriques. C'est le cas par exemple de 2 grilles cylindriques 1 5 disposées concentriquement selon l'axe du réacteur, le lit circulant entre ces grilles. L'écoulement de l'ensemble des particules s'effectue globalement le long d'au moins une grille, c'est-à-dire que la direction de cet écoulement est sensiblement parallèle à ladite grille. Le but en est bien évidemment de limiter le frottement des particules sur la grille, donc leur 2 0 blocage. Le terme "sensiblement parallèle" a été utilisé pour rendre compte de la difficulté de contrôler une direction strictement parallèle de cet écoulement mais globalement, le mouvement d'ensemble est parallèle à l'axe de l'enceinte. 2 5 Il est introduit dans l'enceinte au moins un fluide qui traverse le lit mobile et en sort par la ou les grilles (dite grille de sortie). L'invention s'applique avantageusement dans le cas o le fluide (les fluides) circule dans le lit de particules avec une direction différente de celle de l'ensemble des particules. En d'autres termes, la poussée provoquée par le fluide est de nature à contrarier le mouvement recherché pour le lit mobile. 3 0 C'est le cas fréquent des écoulements radiaux de fluide. Le changement dans la direction d'écoulement de certaines particules, provoqué par le fluide, amène ces particules sur la (les) grille(s) o elles peuvent se bloquer. Le perfectionnement selon l'invention consiste à placer dans le lit mobile de particules situé 3 5 dans l'enceinte, au moins une paroi dite intermédiaire. Cette paroi est perméable au fluide mais elle supporte la poussée des particules solides. Le passage de ces particules à travers la paroi ne peut se faire. C'est dans le cas général une grille dont les trous ou les fentes sont calibrés en fonction de la granulométrie des particules solides du lit, mais ce pourrait aussi bien être une paroi telle qu'une membrane rigide. Il est bien évident que des fragments de particules solides peuvent traverser cette grille intermédiaire (fines par exemple). Mais cet effet est limité. Cette paroi intermédiaire définit deux zones dans le lit. l 0 La position de cette paroi intermédiaire, ou les positions de ces parois s'il y en a plusieurs, doit être choisie pour répartir les différentes poussées provoquées par le fluide sur les particules des différentes zones de manière régulière et sensiblement égale pour que le débit maximum correspondant au blocage soit le même pour chacune des zones. L'espace pourrait ainsi être divisé, dans le cas d'une seule paroi intermédiaire, selon les critères, à une 1 5 position située de préférence entre 1,3 et 2/3 de l'épaisseur complète du lit, à partir de la grille de sortie du fluide (ou bien respectivement entre 2/3 et 1/3 à partir de la grille d'entrée si elle existe). De préférence, cette paroi intermédiaire est parallèle à au moins une grille, et de préférence 2 0 parallèle à la grille par laquelle sort ou entre le fluide (dite grille d'entrée) lorsqu'elle existe. La hauteur de la paroi intermédiaire (des parois) est de préférence sensiblement équivalente à celle de la(des) grille(s) pour s'interposer sur les trajets principaux du fluide. Cette paroi peut être de même nature que les autres grilles, et doit bien entendu être 2 5 maintenue en position et en résistance selon les moyens connus de l'homme de l'art. La partie supérieure de cette ou de ces grilles (ou parois) intermédiaires s'arrête avant la zone de distribution du solide et n'offre pas d'obstacle à la répartition régulière des particules solides entre les deux zones situées de part et d'autre de cette paroi. De même la partie 3 0 inférieure peut être interrompue avant le contact avec le fond du réacteur de manière à laisser les particules solides s'écouler sans difficulté par 1' (les) ouverture(s) prévue(s) à cet effet. Mais cette paroi peut aussi aller du haut en bas, ou jusqu'en bas, ou jusqu'en haut, de l'espace réservé au solide, si l'on préfère alimenter ou/et soutirer le solide indépendamment pour chacune des zones. Des communications ou ouvertures partielles en haut ou en bas peuvent également être utilisées dans la mesure ou elles ne contrarient pas la répartition ou le soutirage régulier des particules solides. Lorsqu'il y a plusieurs parois intermédiaires, I'espace entre les parois est, de préférence, au moins égal à 30 fois le diamètre moyen des particules. L'explication de l'effet de la paroi intermédiaire sera mieux comprise à partir du schéma proposé figure 1 à titre illustratif et non limitatif. 1 0 Il s'agit d'une coupe longitudinale d'une moitié du lit mobile dans un réacteur cylindrique d'axe (D) avec une paroi 1. Le lit mobile 2 des particules solides est délimité par deux grilles 3 (grille d'entrée du fluide) et 4 (grille de sortie du fluide). Le fluide F est amené dans la zone annulaire 5 délimitée par la grille 3 et la paroi 1. Il est collecté dans la zone 6 annulaire délimitée par la grille 4 (ici cylindrique). I 5 La circulation du fluide est matérialisée sur la figure. Le solide s'écoule globalement dans une direction parallèle à l'axe du réacteur. Une seule grille intermédiaire 7 est ici placée, elle découpe la zone annulaire du lit en deux zones: 2 0 Dans la première zone A, repérée par rapport au sens de circulation du fluide, la poussée exercée, par le fluide qui entre dans le réacteur, sur les particules de la première zone est encaissée par la face amont de la grille intermédiaire, mais elle n'est pas transmise aux particules situées en aval. Cette poussée est donc limitée à une partie seulement du lit granulaire. 2 5 Dans la deuxième zone B, par rapport au sens de la circulation du fluide, les premières particules rencontrées par le fluide ne subissent donc maintenant aucune force de la part des particules qui sont dans la zone A amont, contrairement à ce qui se serait passé en absence de la grille intermédiaire. Quant aux particules rencontrées à la fin du trajet du fluide dans cette deuxième zone elles ne subissent que les forces relatives à une épaisseur 3 0 réduite de lit, et donc une force transversale réduite, bien inférieure à celle qui se serait exercée si la grille intermédiaire n'avait pas été placée. Dans chacune des zones, les particules les plus fortement soumises aux efforts de poussée exercés non seulement par le fluide, mais aussi par les particules voisines, sont celles en 3 5 contact avec les grilles de sortie du ou des fluides. Grâce au dispositif proposé, ces forces sont réduites a iso-capacité, aussi bien au contact de la grille intermédiaire que de la grille de sortie conventionnelle. Il en résulte qu'inversement les limites de blocage sont atteintes pour un débit de fluide supérieur et que par conséquent , d'une part les capacités des unités existantes peuvent être augmentées, sans risque de blocage et que d'autre part les unités à construire peuvent bénéficier de cette amélioration qui se traduira pour des capacités données par des réacteurs plus compacts, une accessibilité meilleure, une souplesse et une flexibilité de fonctionnement améliorées. Il est bien évident que le nombre des parois intermédiaires sera choisi en fonction de la géométrie de l'enceinte, de l'épaisseur du lit, des particules solides et des débits de fluide principal. 1 5 Cette paroi intermédiaire doit présenter sur chacune de ses faces les mêmes caractéristiques que les parois employées traditionnellement pour limiter rl'espace réservé au milieu granulaire. Outre leur état de surface particulièrement favorable au glissement des particules, elles doivent être infranchissables par les particules solides, mais suffisamment ouvertes pour faciliter l'écoulement du fluide de manière bien répartie. De façon particulièrement avantageuse, cette ou ces parois intermédiaires (grilles) peuvent aussi servir à modifier de manière contrôlée les conditions opératoires dans le réacteur: il est ainsi possible de les utiliser pour répartir régulièrement un fluide d'appoint. 2 5 Dans ce but, la paroi intermédiaire (ou la grille) comprend 2 faces parallèles séparées par un espace dans lequel est amené, par des moyens d'introduction, un fluide dit d'appoint Ce dispositif est ici appelé "à double face". L'espace entre les faces est donné par le calcul mécanique, il est supérieur à 0,2 cm en général. Ce fluide est de préférence identique au 3 0 fluide principal introduit dans l'enceinte, ou au fluide traité sortant de l'enceinte mais peut aussi être un des réactifs qu'il est alors possible d'introduire de manière progressive et contrôlée au sein du réacteur pour faciliter la réaction, soit par l'intermédiaire des concentrations ou des pressions partielles, soit par celui des températures. Tout moyen d'introduction du fluide d'appoint peut convenir; c'est par exemple une tubulure diffusant sur toute la longueur de la grille. L'intérêt de ce dispositif est de pouvoir injecter le fluide d'appoint, à faible debit, à co- ou à contre-courant du fluide principal. Les ouvertures d'injection du fluide d'appoint seront disposées en conséquence, et le débit calculé selon les règles de l'homme du métier. De préférence, ce débit sera au plus égal à 1/2 du débit du fluide principal. Un autre intérêt est de pouvoir mélanger localement le fluide d'appoint avec le fluide 1 0 principal. Un brassage des divers filets de fluide principal qui ont déjà traversé la première zone du réacteur peut également être favorisé par cette disposition. Il est également possible d'utiliser ce dispositif "à double face" en tant qu'échangeur de chaleur, avec le ou les fluides, immergé dans le réacteur sans que la circulation du milieu granulaire ou du fluide soit pour autant perturbée. 1 5 Il est alors disposé dans l'espace entre les faces, un tube par exemple ou une plaque etc...dans lequel circule un fluide caloporteur. Il est encore possible d'utiliser ce dispositif "à double face" pour disposer toute une série de capteurs permettant une meilleure connaissance un meilleur contrôle de l'état du fluide ou du mouvement des particules. La présente invention et son mode de réalisation avantageux à double face sont illustrés dans les figures ci-après décrites (la figure 1 ayant été appliquée précédemment): - figure 2: mode de réalisation en réacteur cylindrique avec 2 grilles; on a ici représenté un 2 5 réacteur à lit mobile typique du réformage catalytique, à titre illustratif mais non limitatif; - figure 3: mode de réalisation en compartiment parallélépipédique avec 2 grilles, - figure 4 mode de réalisation d'une grille à double face. - figure 5: mode de réalisation avec cloisons. Selon la figure 2, le réacteur comporte une paroi 1 cylindrique, un fond 10, un toit 1 1, une 3 0 grille extérieure 3 cylindrique selon l'axe du réacteur et une grille intérieure 4 cylindrique, concentrique à la grille 3 mais de plus petit diamètre. Par au moins une ouverture 12 dans le toit sont introduites les particules solides S qui sortent du fond de l'enceinte par au moins une ouverture 13, le lit mobile des particules 3 5 circulant entre les 2 grilles. Par au moins une ouverture 14 dans la partie haute du réacteur, est introduit le fluide F qui traverse le lit, est collecté dans le volume interne délimité par la grille 4 et sort du réacteur par au moins une ouverture 15 de la partie basse du réacteur. Le fluide traverse le lit dans un sens différent de l'écoulement de l'ensemble des particules. La grille intermédiaire 7 cylindrique, concentrique aux grilles 3 et 4, est disposée sur toute la hauteur du lit et avantageusement à plus de 1/3 de l'épaisseur à partir de la grille d'entrée 3 du fluide. 1 0 Dans cette figure, r' (les) ouverture(s) pour l'introduction et la sortie du fluide sont disposées pour faire circuler le fluide de l'espace annulaire délimité par la paroi de l'enceinte et la grille extérieure de plus grand diamètre vers le volume interne délimité par la grille de plus petit diamètre, d'o il sort. Une circulation du fluide en sens contraire peut aussi convenir. i 5 De façon particulièrement avantageuse, pour améliorer la résistance mécanique du lit, le lit de particules peut être découpé en secteurs par une ou des parois (cloisons) pleines ou grilles, en particulier de type "à double face". Ces parois (cloisons) continues sont fixées aux grilles intérieure, extérieure et interrnmédiaire, et participent ainsi à la résistance mécanique de rensemble. Elles sont disposés 2 0 parallèlement à l'écoulement du solide et elles ne s'opposent pas à récoulement du fluide principal. Par exemple, elles sont agencées radialement dans une enceinte cylindrique. Il est bien évident que ces parois (cloisons) doivent comporter les caractéristiques de surface nécessaires pour que les particules solides puissent glisser. Par ailleurs, chaque secteur peut être alimenté indépendamment des autres secteurs, si 2 5 besoin. Ces parois (cloisons) pourront être choisies étanches aux fluide(s) et solides ou encore non perméable au solide mais perméable au(x) fluides(s). La figure 5 représente sur une vue de dessus incomplète d'un réacteur cylindrique (tel que celui de la figure 2) des cloisons 16. 3 0 Sur la figure 3 est représenté une coupe d'un compartiment dit parallépipédique 25 avec ses parois 26 et 27, comportant 2 grilles planes parallèles 3 et 4 entre lesquelles circule le lit mobile S, selon une direction ici verticale; le fluide F amené perpendiculairement à S dans l'espace 28 délimité par la paroi 26 et la grille 3 traverse le lit S et est collecté dans respace 29 entre la paroi 27 et la grille 4, d'o il sort. On peut ainsi concevoir un réacteur à virole cylindrique ou parallélépipédique comprenant un ou plusieurs compartiments parallélépipédiques. Plus généralement, on illustre dans la figure 3 une enceinte constituée d'un réacteur comportant au moins un compartiment parallélépipêdique comportant deux parois, deux grilles planes parallèles situées entre ces deux parois délimitant un lit mobile de particules solides, et un espace entre chaque paroi et grille, l'un pour amener le fluide dans le compartiment, I'autre pour sa sortie, enceinte dans laquelle au moins un compartiment parallélépipèdique comporte au moins une paroi intermédiaire disposée dans le lit mobile, 1 0 parallèlement aux autres grilles. De même que précédemment, au moins une paroi (cloison) délimitant des secteurs dans le lit peut être placée, selon une direction sensiblement parallèle au sens de l'écoulement du fluide et sensiblement parallèle au sens de l'écoulement de rensemble des particules 1 5 La figure 4 montre une réalisation dite "à double face". Deux grilles séparées 30 et 31 (ou parois) constituent les faces amont et aval respectivement de la grille intermédiaire. Elles permettent dans ce cas particulier le passage du fluide principal de la zone A vers la zone B, mais pas celui des particules solides. 2 0 Dans rl'espace entre les 2 grilles est disposé un moyen d'introduction du fluide crd'appoint FA, constitué ici par un diffuseur 32 qui est par exemple un tube percé d'orifices 33. Ceux-ci sont avantageusement disposés en vis à vis de la face amont, de facç,on à injecteur le fluide d'appoint à contre-courant du fluide principal. REVENDICATIONS 1. Enceinte délimitée par au moins une paroi (1), comportant au moins une ouverture (12) pour rl'introduction de particules granulaires solides, 5. au moins une grille (3,4) délimitant un lit mobile desdites particules qui circule dans rl'enceinte dans une direction sensiblement parallèle à ladite grille; au moins une ouverture (14) pour rintroduction d'au moins un fluide qui circule dans lediR l de particules dans une direction différente de celle de l'ensemble des particules et sort dudcil lit par au moins une grille (4), 1 0. au moins une ouverture (15) pour la sortie dudit fluide de renceinte, À au moins une ouverture (13) pour la sortie desdites particules de renceinte, caractérisée en ce qu'elle comporte également au moins une paroi (7) dite intenrmédiaire située dans le lit de particules, ladite paroi étant perméable au fluide mais non perméable aux particules granulaires solides, et disposée sensiblement dans le sens de l'écoulement des i 5 particules. 2. Enceinte selon la revendication 1, caractérisée en ce que le lit circule dans le volume délimité par une grille et une paroi de rl'enceinte. 2 0 3. Enceinte selon la revendication 1, caractérisée en ce que le lit circule dans le volume délimité entre au moins deux grilles (3,4). 4. Enceinte selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la (les) paroi intermédiaire (7) est constituée par une grille. 5. Enceinte selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la (les) paroi intermédiaire (7) est située entre 1/3 et 2/3 de répaisseur complète du lit, à partir de la grille (4) par laquelle sort le fluide. 3 0 6. Enceinte selon rune des revendications précédentes, caractérisée en ce que la (les) paroi intermédiaire (7) est parallèle à au moins une grille. 7. Enceinte selon l'une des revendications précédentes, constituée d'un réacteur cylindrique avec une paroi cylindrique (1), un fond (10) et un toit (11), deux grilles (3,4) 3 5 concentriques selon l'axe du réacteur et délimitant dans le réacteur un lit mobile de 1il particules solides, au moins une ouverture (12) dans le toit pour introduire les particules solides et au moins une ouverture (13) dans le fond pour leur sortie, au moins une ouverture (14) en partie haute du réacteur pour l'introduction du fluide et au moins une ouverture (15) en partie basse pour sa sortie, le fluide traversant le lit mobile dans un sens différent de I'écoulement de l'ensemble des particules, enceinte caractérisée en ce qu'elle comporte également au moins une grille intermédiaire (7) disposée dans le lit mobile, conceritriquement avec les autres grilles. 8. Enceinte selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'(les) ouverture(s) pour 1 0 I'introduction et la sortie du fluide est (sont) disposée(s) pour faire circuler le fluide de rl'espace annulaire délimité par la paroi (1) de l'enceinte et la gnlle extérieure (3) de plus grand diamètre vers le volume interne délimité par la grille (4) de plus petit diarnmètre, cd'o il sort. 9. Enceinte selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'(les) ouverture(s) pour i 5 l'introduction et la sortie du fluide sont disposées pour faire circuler le fluide du volume interne délimité par la grille (4) de plus petit diamètre vers respace annulaire délimité par la paroi (1) de l'enceinte et la grille extérieure (3) de plus grand diarnmètre. 10. Enceinte selon l'une des revendications précédentes, constituée d'un réacteur 2 0 comportant au moins un compartiment parallépipèdique (25) comportant deux parois (26,27), deux grilles planes (3,4) parallèles situées entre ces deux parois délimitant un lit mobile de particules solides, et un espace entre chaque paroi et grille run pour amener le fluide dans le compartiment, rautre pour sa sortie, enceinte caractérisée en ce qu'au moins un compartiment parallépipèdique comporte également au moins une paroi intermédiaire (7) 2 5 disposée dans le lit mobile, parallèlement aux autres grilles. 11. Enceinte selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la paroi intermédiaire comprend 2 faces parallèles (30,31) perméables au fluide mais non perméables aux solides, séparées par un espace dans lequel est amené, par des moyens 3 0 d'introduction (32), un fluide d'appoint. 12. Enceinte selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une paroi (cloison) divisant le lit en secteur(s). 13. Enceinte selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un réacteur contenant un lit mobile de particules catalytiques. 14. Enceinte selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un réacteur de réformage catalytique.