Brevet FR2807673A1 — publié le 20011019

La présente invention concerne un dispositif permettant d'optimiser la distribution d'un fluide comportant par exemple au moins une phase gazeuse comprenant le plus souvent au moins en partie de l'hydrogène et au moins une phase liquide à travers un lit de solides granulaires ou particules. les fluides étant en circulation sensiblement descendante à travers ledit lit de solides D granulaires (ou particules solides). L'invention concerne également une enceinte comportant à proximité de son extrémité supérieure une entrée d'un premier fluide liquide et d'un deuxième fluide gazeux. contenant au moins un lit de solides granulaires et en dessus dudit lit un dispositif selon la présente invention tel que décrit ci-après 1() Ce dispositif peut être disposé: - soit en tête de l'enceinte qui est le plus souvent un réacteur, - soit en sortie d'un lit granulaire (alimentation sur toute la section de l'enceinte sur le lit granulaire suivant). La présente invention trouve en particulier une application dans tous les cas - ou la phase gazeuse est largement majoritaire par rapport à la phase liquide c'est-à-dire o le rapport volumique entre le gaz et le liquide est souvent supérieur à 3: 1 et Gaz vol habituellement inférieur à 400: 1 (3 exemple de l'hydrogène H1) dans la phase liquide. La présente invention s'applique en particulier dans le domaine des distributeurs gaz/liquide comme par exemple ceux employés pour la mise en oeuvre des réactions d'lhydrocraquage. d'hydrotraitement, d'hydrodésultfuration. d'hydrodéazotation. d'hydrogénations sélectives ou 3( totales des coupes C2 à C5, l'hydrogénation sélective des essences de vapocraquage, l'hdrogénation des composés aromatiques dans des coupes aliphatiques et/ou naphténiques. l'hydrogénation des oléfines dans des coupes aromatiques. Elle trouve aussi son application pour mettre en ceuvre d'autres réactions nécessitant un bon mélange d'une phase gazeuse et d'une phase liquide, par exemple les réactions d'oxydation partielle ou totale, les réactions d'amination. d'acétyloxydation, d'anmmoxydation et d'halogénation en particulier de chloration. Dans le domaine spécifique des réactions d'hydrodésulfuration, d'hydrodéazotation, 4( d'hvdrocraquage pour atteindre des conversions poussées (pour obtenir un produit contenant par exemple 30 ppm (parties par million) de soufre ou moins) il est nécessaire d'avoir une bonne distribution du gaz et du liquide mais principalement du liquide sachant que l'on se situe avec des rapports volumétriques qui varient en général d'environ 3 1 à environ 400: 1 et le plus souvent d'environ 10 1 à environ 200() 1 et dans le cas de l'utilisation d'une trempe (Quench) un très bonl contact entre le gaz introduit pour effectuer le refroidissement et les fluides du procédé mis eln (euvre souvent dénomlmés fluides process. ('ompte teiu de la faible proportion de liquide par rapport au gaz, une des possibilités utilisée dans l'art antérieur consiste par exemple à utiliser des plateaux distributeurs comportant une pluralitéc de trous dédiés au passage du liquide et une pluralité de cheminées dédiées au passage du gaz. On trouvera par exemple des descriptions de tels dispositifs dalns les brevets US 1u _..353.924, US 4.385,033, US 3,855,068. ('ces solutions posent cependant des problèmes en termes de souplesse d'utilisation des plateaux, et peuvent également conduire à des irrégularités d'alimentation des différents orifices en cas de nonhorizontalité parfaite des plateaux et/ou des remous suscités par la chute massive des flux 1 liquide et gazeux sur les plateaux. Pour pallier ces inconvénients, l'homme de l'art est conduit à utiliser un agencemient spécifique de plusieurs plateaux dont le dernier est soit pourvu de moyens de collecte et de distribution des phases liquide et gazeuse sous forme séparée tel que décrit par exemple dans le brevet US 92) 5.232.283 ou soit sous forme die mélange tel que décrit par exemple dans les brevets US 4.126.539, US 4,126,540, US 4,836,989, US 5,462,719. I'inconvénient majeur de ces systèmes provient du fait que compte tenu de la faible quantité de liquide par rapport au gaz, I'hommie de l'art est conduit pour tenter d'arroser correctement toute la surface dudit lit de solides granulaires à utiliser une densité de cheminées importante souvent supérieure à 80 cheminées au mètre carré tel que mentionné dalns le brevet FR 2,745,202. La vitesse clu gaz dans les cheminées varie généralement de 0.5 à 5 centimètres par seconde (cm/s) et la vitesse du liquide varie généralement de 0.05 à 1 cm/s. Ces vitesses sont cependant trop faibles pour permettre à la fois le mélangLe et la dispersion. () D)u tait dc cette absence de dispersion dlu liquide en sortie des cheminées l'homme i(le l'art est souvent contraint à installer des systèmes type plaque de déflection en sortie d'orifices ou de cheminiées commire cela est par exemple décrit ldans les documents de brevets FR 2, 654,952, \V097463(03 et US 5,799,877. Tous les systèmes type brise-jet décrits dans l'art antérieur sont associés unll trou et/ou une cheminée leur forme est soit de type plaque d'impact pleine tel que décrit dcans les brevets US 5,799.877 et FR 2,654,952 soit réceptacle avec cloisons de très faible hauteur tel que décrit dans le brevet WO 9746303. Les inconvénients de ce type de système provie'nnent du tait que le brise-jet ne couvre pas toute la surface cui réacteur et que la partie de solides granulaires situés en dessous dudit système de brise-jet aura très peu de chance d'être 4o arrosée par dLu liquide Il a mlaintenant été découvert, qu'il est possible d'obtenir un arrosage plus efficace et donc une mcilleure utilisation du lit de solides granulaires en diminuant la densité de cheminées ou canaux mlélanLeurs au mètre carré et en équipant le plateau distributeur et/ ou les cheminées ou canaux mélangeurs d'un système dispersif poreux ou brise-jet à porosité contrôlée permettant de disperser le jet liquide en sortie de cheminée. Dans le dispositif selon l'invention, le nombre de canaux mélangeurs est choisi notamment pour augmenter la vitesse de passage des différentes phases constituant un mélange et obtenir ainsi. une énergie sutffisante pour rendre efficace le système dispersif,. pour avoir un meilleur contact du lnélanLe résultant avec le lit catalytique, ainsi qu'une meilleure homogénéité du régime d'écoulement du mélange polvphlasique. I() Avantageusement, en choisissant la distance séparant le plateau distributeur et le système dispersif et la distance entre le système dispersif et le lit de solides granulaires, on peut améliorer encore cette distribution, et en évitant notamment la séparation ou sous- division du mélange formé à l'intérieur des cheminées lors de sa traversée de l'espace séparant le plateau distributeur et le système dispersif et lors de sa traversée de l'espace séparant le svstème dispersif et le lit catalytique. La présente invention concerne un dispositif pour mettre en contact et distribuer un mélange comportant au moins une phase gazeuse et au moins une phase liquide pour une enceinte contenant au moins un lit de solides granulaires, lesdites phases étant en écoulement globalement descendant à travers ledit lit de solides granulaires. Dans sa forme la plus large le dispositif de l'invention se défini conmme un dispositif pour distribuer un mélange polyphasique comportant au moins une phase gazeuse et au moins une phase liquide, ledit miélai(nge étant en écoulement descendant à travers au moins un lit de solides granulaires, comportant - au Moins un plateau (P) situé au-dessus d'un desdits lits de solides granulaires, - plusieurs canaux mélangeurs (21) desdites phases liquide et gazeuse dudit mélange, chacun desdits canaux comportant au moins une section de passage supérieure (22) et au moins une section de passage 3o inférieure (23) permettant la communication du mélange formé à l'intérieur desdits canaux mélangeurs avec un lit de solides granulaires, lesdits canaux mélangeurs étant pourvus sur au moins une partie de leur hauteur d'une ou de plusieurs sections de passage latérales ( 26), ladite section de passage supérieure (22) laissant passer la majorité de la phase gazeuse dudit mélange et lesdites sections de passage latérales (26) permettant respectivement le passage de la phase liquide à l'intérieur (lesdits canaux mélangeurs et/ou d'au moins une partie de la phase gazeuse, ledit dispositif comprenant en dessous dudit plateau (P) et en dessous de ladite section de passage inférieure (23) et au- dessus dudit lit de solides au moins un système dispersif type brise-jet (28) ayant une porosité contrôlée. Selon une mise en oeuvre particulière le système dispersif type brise-jet (28) est caractérisé par le fait que la surface de vide rapportée à la surface totale (porosité) varie dans un rapport d'environ 2 à environ 80 % de préférence d'environ 5 à environ 50 % et le plus souvent d'environ 5 à environ 301%. Selon une réalisation particulière le dispositif selon l'invention est un dispositif dans lequel on associe un système dispersif type brise-jet à chaque canal mélangeur Selon une autre réalisation particulière le dispositif selon l'invention est un dispositif dans lequel on associe un système dispersif type brise-jet à plusieurs canaux mélangeurs voisin les uns des autres. Selon une autre réalisation particulière le dispositif selon l'invention est un dispositif dans lequel on associe un système dispersif type brise-jet à l'ensemble des canaux mélangeurs du dispositif. 1( Selon une forme particulière de réalisation le dispositif dispersif de type brise-jet selon l'invention est associé par au moins un élément de liaison à au moins un plateau (P) ou à au moins une poutre de support dudit plateau (P). Selon une autre forme particulière de réalisation du dispositif dispersif de type brise-jet selon l'invention on associe au moins deux systèmes dispersifs type brise-jet à au moins deux canaux mélangeurs lesdits systèmes dispersifs type brise-jet étant situés à des distances différentes les uns des autres par rapport à au moins un plateau (P) ou à au moins une poutre de support dudit plateau (P).auxquels ils sont associés par au moins un élément de liaison. Selon une autre forme particulière de réalisation le dispositif dispersif de type brise-jet selon l'invention au moins deux systèmes dispersifs type brise jet situés à des distances différentes sont reliés entre eux par au moins un élément de liaison et le ou les systèmes dispersifs situés à la plus petite distance d'au moins un plateau (P) ou d'au moins une poutre de support dudit plateau (P) sont reliés audit plateau (P) ou I a la dite poutre de support par au moins un élément de liaison. Dans le dispositif de l'invention la densité des canaux mélangeurs est le plus souvent faible par exemple d'environ de I à 80 canaux par mètre carré de préférence 5 à 50 canaux par mètre carré. le canal mélangeur possédant habituellement un diamètre compris dans l'intervalle [0.3; cim] et de préférence [0,3; 5 cm] et souvent par exemple dans l'intervalle [1; 5 cml]. 3o Le plateau peut aussi comporter des orifices de drainage de la phase liquide. Dans ce cas la surface totale résultante de la somme des surfaces de passage de chacun des orifices est telle que le débit de la phase liquide à travers les orifices de drainage soit inférieur à 10 % de la fraction de la phase liquide en cours de fonctionnement et de préfétrence inférieure à 5 %. Par rapport aux dispositifs décrits dans l'art antérieur, le dispositif de la présente invention offre les avantages suivants: - en diminuant le nombre de canaux mélangeurs on augmente les vitesses gaz et liquide du mélange à l'intérieur du canal mélangeur et donc on favorise le mélange et le contact entre les phases, - en ajoutant un système dispersif couvrant la quasi-totalité dlu réacteur on assure une utilisation optimum du lit de solides granulaires, - en avant un nombre de canaux mélamgeurs faible on peut faire un plateau auto supporté et donc minimiser le volume ldu dispositif et minimiiser les obstacles rencontrés par le 11uidu, - le dispositif est simple et robuste (un seul plateau contrairement aux dispositifs de l'art antérieur et par exemple à celui décrit dans le brevet US 4,126,540). D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description donnée ci-après à titre d'exemples de réalisation. 1() LIa tfigure I montre schiématiquement un réacteur comportant plusieurs plateaux distributeur (P), un plateau distributeur (P) étant situé en tête de réacteur et un autre après un premier lit de solides granulaires et avant un deuxième lit de solides granulaires. I5 La figure 2 montre schématiquement un plateau de distribution pourvu de canaux mélangeurs (21). 1 es t'ioures 3 et 4 montrent des exemples de géométries de canaux mélangeurs (21) équipant les platecaux distributeurs. 2O( I es Figutires 5a. 5b et 5c montrent respectivement un exemple de réalisation de plateau avec un dispositif selon l'art antérieur (figure 5a) et un exemple de réalisation de plateau avec un dispositif dispersif sous chaque cheminée vue de coté (figure 5b) et vue d'en dessous (figure 5c). La figure 6a est une photo prise lors de la réalisation d'essais sur une maquette comportant en dessous du dispositif de distribution de l'art antérieur une partie transparente telle qu'en plexiglas (marque déposée) montrant la faible dispersion obtenu par l'utilisation d'un tel dI islpositif. 1 a fiue 61) est une photo prise lors de la réalisation d'essais sur une maquette comportant en dessous du dispositif de distribution une partie transparente en plexiglas (marque déposée). Sur cette photo le dispositif utilisé est conforme à celui (le l'invention et comporte un système dispersif type brise-jet en dessous du canal mélangeur. On remarque la nette amélioration de la dispersion (répartition du liquide) obtenue par rapport aux essais réalisé avec un dispositif selon 'art alntéricur (tfiure 6a). I)e manière a mieux comp-rendre l'invention, la description donnée ciaprès à titre d'exemple i d'application concerne un système de distribution utilisé dans Ull réacteur adapté pour les hvdrotraitements. Ce dispositif peut, sans sortir du cadre de l'invention, être utilisé dans tout 4() dispositif et dans tout domaine o il est souhaitable d'obtenir une bonne distribution d'un fluide polyphasique. Une application du dispositif selon l'invention est en particulier sonI utilisation pour la distribution d'un mélange polyphasique comportant au moins une phlase gazeuse comprenant au moins en partie de l'hydrogène. lIe réacteur dont la partie supérieure est schématisée sur la figure I comlporte une enceinte (E) comportant dans sa partie supérieure OU tête de réacteur, un prédistributeur (I l). Le mélange distribué par le dispositif (I l) s'écoule d(le manière descendante jusqu'au plateau distributeur (P) qui est situé au-dessus et à une distance D d'un premier lit de solides granulaires (13) ou lit catalytique. Le plateau comporte une pluralité de canaux mélangeurs (21) cdébouchant sur un svstCèmne dispersif type brise-jet (28). Cette distance D peut être minimisée pour gagner de la place dans le réacteur et conserver la dualité de la distribution réalisée en sortie du dispositif de la présente invention. Le mélange biphasique après son passage au travers du lit de solides gr- anulail'es (13) peut, soit être redistribué directelment sur un second lit (le solides granulaires M() (14) après être passé par le dispositif de la présente invention, soit comlmle cela est schématisé sur cette figure I après être passé au préalable dans une boîte de mélange (15) après l'introduction d'un fluide de trempe (Quench) par la ligne (16) Un dispositif selon la présente invention est schématisé par une vue en perspective sur la figure 2. Il comporte (figure 2, 3 et 4) une pluralité de canaux mélangeurs tels que des chelminées (21) avaiit au mnoins une section cde passage supérieure (22) par exemple un orifice au niveau de sa partie supérieure et une section de passage inférieure (23) (visible sur les figures 3 et 4). Les clheminées sont surmlontées en leur partie supérieure de chapeaux (24) (brise-jet) destinés à briser les jets provenant soit de la canalisation d'entrée soit du lit de solides grainulaire supérieur et à 2o permettre la séparation du gaz et du liquide. Ces cheminées comportent une pluralité de trous (26) permettant le passage du liquide. En dessous du plateau (P) un système dispersif type brise- jet (28) reçoit le nlmélange biphasique formé dans les canaux (21). a hauteur des cheminées ou canaux mélangeurs est le plus souvent comprise entre 1(00 et 500 millilètr-es (mlm) de préférence entre 250 et 400 mimn. l es tubes des canaux mélangeurs dépassent de la base (25) de la base du plateau (P) d'une hauteur z qui varie habituellement entre 10 et200 et souvent entre 25 et 50 mun. Le plus souvent le canal mélangeur se prolonge en dessous du plateau distributeur sur une longueur, z " 0) et lit valeur de " z, est inférieure ou égale à " canal mélangeur et le système dispersif type brise-jet (28). les carnaux mélangeurs (21) sont percés de trous (26) en leur périphérie sur un ou plusieurs niveaux de préférence au moins trois niveaux. On respecte de préférence une hauteur minimale 1,h entre la face supérieure du plateau (P) (la face qui reçoit le liquide) et les orifices ou trous situés dclans la partie inférieure du canal ou, dans le cas cl'une fente, le bas de la fente, se trouvent au-dessus de la hauteur la figure 4 clhaque canal mélangeur comporte pour le passage du liquide des tfentes (30). REVENDICATIONS 1. Dispositif pour distribuer un mélange polyphasique comportant au moins une phase gazeuse et au moins une phase liquide, ledit mélange étant en écoulement descendant à travers au moins un lit de solides granulaires, comportant - au moins un plateau (P) situé au-dessus d'un desdits lits de solides granulaires, - plusieurs canaux mélangeurs (21) desdites phases liquide et gazeuse dudit mélange, chacun desdits canaux comportant au moins une section de passage supérieure (22) et au moins une section de passage infér-ieure (23) permettant la communication du mélange formé à l'intérieur desdits canaux mélangeurs It) avec un lit de solides granulaires, lesdits canaux mélangeurs étant pourvus sur au moins une partie de leur hauteur d'une ou de plusieurs sections de passage latérales ( 26), - ladite section de passage supérieure (22) laissant passer la majorité de la phase gazeuse dudit mélange et lesdites sections de passage latérales (26) permettant respectivement le passage de la phase liquide à l'intérieur desdits canaux miélangeurs et/ou d'au moins une partie de la phase gazeuse, caractérisé en ce qu'en dessous dudit plateau (P) et en dessous de la section de passage inférieure (23) et au- dessus du lit de solides granulaires on dispose au moins un système dispersif (28) type brise-jet ayant une porosité contrôlée. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le système dispersif type brise-jet a une porosité d'environ 2 % à environ 80 %. 3. Dispositif selon la revendication I ou 2 dans lequel on associe un système dispersif type brise-jet à chaque canal mélangeur 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on associe un svstème dispersif type brise-jet à plusieurs canaux mélangeurs voisin les uns des autres. 5. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on associe un système dispersif type brise-jet à l'ensemble des canaux mélangeurs du dispositif. i t) 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le système dispersif de type brise-jet est associé par au moins un élément de liaison à au moins un plateau (P) ou à au moins une poutre de support dudit plateau (P). 7. Dispositif selon l'une des revendications I à 6 dans lequel on associe au moins deux systèmes dispersifs type brise-jet à au moins deux canaux mélangeurs lesdits systèmes dispersifs type brise-jet étant situés à des distances différentes les uns des autres par rapport à au plateau (P) ou à au moins une poutre de support dudit plateau (P).auxquels ils sont associés par au moins un élément de liaison. 4 8. Dispositifs selon la revendication 4 ou 7 dans lequel au moins deux systèmes dispersifs type brise jet situés à des distances différentes sont reliés entre eux par au moins un élément de liaison et dans lequel le ou les systèmes dispersifs situés à la plus petite distance du plateau (P) ou à au moins une poutre de support dudit plateau (P) sont reliés audit plateau (P) ou à la dite poutre de support par au moins un élément de liaison. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10 dans lequel la distance " d "entre l'extrémité inférieure des canaux mélangeurs et le système dispersif type brise-jet est d'environ 5 à 500 millimètres. s 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel la distance ,entre le système dispersif type brise-jet et le lit de solide granulaire est choisie pour conserver le inélange formé à l'intérieur desdits canaux mélangeurs et sortant desdits canaux mélangeurs par lesdites sections de passage intérieures, jusqu'à sa distribution dans le lit de solides granulaires. I() I 1. Dispositif selon la revendication 10 dans lequel la distance " D " est d'environ 0 à environ 500 millimètres. 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11 caractérisé en ce qu'un canal mélangeur se prolonge en dessous du plateau distributeur sur une longueur " z et la valeur de - z, est inférieure ou égale à I" d " 13. Dispositif selon l'une des revendications de I à 12 caractérisé en ce que lesdits canaux mnélangeurs ont un diamètre dont la valeur est comprise dans l'intervalle [0,3 10 cm] et. de 2() préférence, clans l'intervalle [0,3; 5 cm]. 14. Dispositif selon l'une des revendications de I à 13 caractérisé en ce que ledit plateau comporte des orifices de drainage de la phase liquide, la surface totale résultante de la somme des surfaces de passage de chacun des orifices étant telle que le débit de la phase liquide à travers les orifices de drainage soit inférieur à 10 % de la fraction de la phase liquide en cours de tfonctionnement et de préférence inférieure à 5%. 15. Application du dispositif selon l'une des revendications de 1 à 14 à la distribution d'un mélanige polyphasique comportant au moinS une phase gazeuse comprenant au moins en partie de l'hydrogène. 3()