Brevet FR2817172A1 — publié le 20020531

Les industries chimiques, pétrolières et pétrochimiques utilisent de nombreuses réactions chimiques endothermiques, par exemple des réactions de craquage, de déshydrogénation ou de réformage d'hydrocarbures. Certaines de ces réactions sont réversibles et limitées par un équilibre thermodynamique. Dans ce cas, le refroidissement qui se produit dans un lit catalytique du fait de l'endothermicité de la réaction conduit à une limitation de la conversion des réactifs. Un moyen pour atteindre une conversion élevée consiste à introduire des surfaces chauffantes dans le lit catalytique, ou à utiliser une pluralité de lits catalytiques séparés par des zones de réchauffage du fluide réactionnel. Dans de nombreux cas, en particulier pour la déshydrogénation d'hydrocarbures, le catalyseur se désactive au moins partiellement, par exemple par cokage, au cours de la réaction et doit être soutiré, en continu ou par intervalles de temps, pour son remplacement par du catalyseur neuf ou régénéré. On connaît des procédés par exemple de réformage catalytique d'hydrocarbures où la charge réactionnelle traverse successivement une pluralité de réacteurs à lit catalytique, avec des réchauffages intermédiaires entre réacteurs, pour compenser le refroidissement du fluide réactionnel dû à l'endothermicité de la réaction. Le catalyseur circule d'un réacteur à l'autre, à co-courant d'ensemble ou contre-courant d'ensemble avec la charge avant d'être régénéré et recyclé. Ceci conduit à une bonne utilisation du catalyseur, qui est coké de façon homogène avant d'être régénéré. L'un des objets de l'invention est un réacteur notamment pour la mise en oeuvre d'un procédé de conversion chimique à lits catalytiques avec des moyens d'apport de chaleur intégrés dans ledit réacteur, et présentant donc une grande compacité de la zone réactionnelle, combinée avec une bonne utilisation du catalyseur. Un autre objet de l'invention est un procédé de conversion d'une charge (le plus souvent une charge hydrocarbonée) subissant une réaction endothermique utilisant ledit réacteur. On ne sortirait pas du cadre de la présente invention en utilisant une série de réacteurs dont l'un au moins est conforme à la présente invention. A cet effet, l'invention propose un réacteur pour la conversion chimique d'une charge, ledit réacteur de conversion chimique contenant entre une extrémité supérieure et une extrémité inférieure un lit catalytique sensiblement vertical, et comportant en combinaison : - à proximité de son extrémité supérieure au moins un moyen d'introduction d'un catalyseur solide, - des moyens d'introduction et d'évacuation de ladite charge permettant sa circulation de façon sensiblement horizontale à travers le lit catalytique, - des moyens de chauffage de ladite charge, intégrés dans ledit réacteur, dans lequel ledit réacteur comporte à proximité de son extrémité inférieure au moins un moyen d'extraction différenciée du catalyseur entre une partie amont et une partie aval dudit lit catalytique, relativement au sens de circulation de la charge. Le réacteur peut être un réacteur-échangeur avec des surfaces chauffantes immergées dans le lit catalytique ; il peut aussi comprendre une pluralité de lits catalytiques séparés par des zones non catalytiques de chauffage de la charge réactionnelle. Dans chacune de ces zones, la charge réactionnelle traverse un échangeur de chaleur, alimenté par un fluide thermique. Les fluides thermiques utilisables comprennent la vapeur d'eau sous pression, par exemple entre 0,5 MPa et 1,20 MPa de préférence entre 0,6 MPa et 1 MPa absolus bornes comprises, de l'hydrogène ou un gaz contenant de l'hydrogène comme par exemple un gaz de recyclage riche en hydrogène tel que celui utilisé dans certains procédés comme diluant de la charge réactionnelle pour la protection du catalyseur. On peut aussi utiliser la charge elle-même non convertie, ou des liquides tels que des sels fondus ou du sodium liquide Le moyen d'extraction différencié du catalyseur est habituellement choisi dans le groupe formé par des moyens d'extraction continus et les moyens d'extraction discontinus. De façon préférée, le lit catalytique comprend une pluralité de zones catalytiques séparées par des zones non catalytiques de chauffage de la charge. Selon une caractéristique préférée de l'invention, le moyen d'extraction du catalyseur le plus en amont diffère d'au moins un moyen d'extraction situé en aval, et notamment de celui situé le plus en aval, par sa plus faible capacité d'extraction (les notions d'amont et d'aval étant relatives au sens de circulation de la charge). L'invention propose également un procédé de conversion chimique d'une charge utilisant un réacteur tel que précédemment décrit. Typiquement, la charge est une charge d'hydrocarbures, fréquemment additionnée d'un diluant (par exemple de vapeur d'eau, d'hydrogène, d'azote, ou d'un mélange de ces gaz). Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le procédé de conversion chimique est un procédé de déshydrogénation catalytique d'une charge d'hydrocarbures paraffiniques. On se réfère maintenant à la figure 1 qui représente de façon non limitative un réacteur R selon l'invention utilisé pour la mise en oeuvre d'une réaction endothermique. La charge réactionnelle est introduite dans le réacteur R par la ligne 1 ; elle traverse successivement un lit catalytique 3a, puis un échangeur de chaleur 4a, puis un second lit catalytique 3b, puis un second échangeur de chaleur 4b, puis un troisième et dernier lit catalytique 3c, avant de sortir du réacteur par la ligne 2. Le catalyseur est introduit dans le réacteur en tête de celui-ci par la ligne 9. Il se répartit dans les lits catalytiques 3a, 3b, 3c dans lesquels il circule en écoulement gravitaire descendant. Chaque lit catalytique possède une trémie séparée d'évacuation de catalyseur : 7a pour le lit 3a, 7b pour le lit 3b et 7c pour le lit 3c. Des vannes d'extraction 8a, 8b et 8c en fond de chacun des lits catalytiques permettent d'extraire séparément du catalyseur usé circulant dans chacun des lits catalytiques en série. Le catalyseur est évacué par les lignes 80a, 80b, 80c. Les échangeurs de la chaleur 4a et 4b sont alimentés par un fluide thermique introduit par les lignes 5,5a et 5b, ce fluide quittant les échangeurs par les lignes 6a, 6b et 6. En partie supérieure des lits 3a et 3b, on introduit par les lignes 10,10a, 10b un gaz sensiblement inerte dont la fonction est de réaliser un gaz de barrage pour éviter les passages de contournement (by-pass) de la charge circulant du lit 3a vers le lit 3b, ainsi que du lit 3b vers le lit 3c, sans traverser l'échangeur 4a ou l'échangeur 4b. Typiquement ce gaz peut être un diluant de la charge, par exemple de la vapeur d'eau ou du gaz de recyclage riche en hydrogène. L'installation fonctionne de la façon suivante. La charge préchauffée à la température réactionnelle traverse les trois lits (ou zones) catalytiques 3a, 3b, 3c en série, avec deux réchauffages intermédiaires. Le catalyseur, introduit par ligne 9 est soutiré soit en continu, soit de façon discontinue par les lignes 80a, 80b, 80c. Dans le réacteur, selon l'invention, on fait circuler, et l'on renouvelle de préférence plus rapidement le catalyseur du lit 3c que celui du lit 3a. En effet, de façon typique, le catalyseur vieillit plus rapidement et se désactive et se coke plus rapidement en fin de zone réactionnelle, c'est-à-dire dans le lit aval 3c que dans le lit amont 3a. De préférence 3c est renouvelé plus rapidement que 3b, lui-même renouvelé plus rapidement que 3a. L'invention permet donc une bonne utilisation du catalyseur, qui est soutiré à un état de désactivation relativement constant. Lorsque l'on fonctionne en continu, on peut utiliser les vannes 8a, 8b, 8c pour ajuster des soutirages différentiés de catalyseur. Lorsque l'on fonctionne en discontinu, il est possible de soutirer par intervalle des quantités de catalyseur variables selon les zones du lit catalytique (débits de soutirage plus importants dans les zones aval, au sens de la circulation de la charge). Il est également possible d'effectuer des soutirages plus fréquents de catalyseur dans la zone aval 3c que dans la zone 3b et/ou dans la zone 3b que dans la zone 3a. On peut également moduler à la fois la fréquence et les quantités de catalyseur extraites. Enfin, il est possible de procéder à des extractions limitées de catalyseur usé (par exemple 10 % à 33 % du volume de chaque lit) ou bien d'effectuer des renouvellements de tout le volume d'un lit (ou zone) individuel : 3a, ou 3b ou 3c. Dans ce cas, on renouvellera de préférence plus fréquemment le catalyseur de la zone 3c que celui de la zone 3a Les réacteurs selon l'invention peuvent contenir de 2 à environ 20 zones catalytiques séparées par des zones d'échange thermique. Le fluide réactionnel peut également être introduit latéralement et circuler horizontalement, en courant croisé avec la charge. Il est possible d'utiliser des lits de faible épaisseur, par exemple comprise entre 5 et 10 cm, ou d'épaisseur moyenne, par exemple comprise entre 10 et 80 cm, et si le procédé l'exige, des vitesses spatiales faibles ou élevées (par exemple entre 10 et 250 h'). Les températures dépendent du procédé mais sont fréquemment comprises entre 250oC et 950oC, de préférence entre environ 400 et environ 700 OC. Toutes ces valeurs ne sont pas limitatives de l'invention. On ne sortirait pas du cadre de l'invention dans le cas où il y aurait un lit catalytique unique, ou des lits en parallèle, avec un écoulement croisé charge/catalyseur. Le réacteur selon l'invention permet ainsi de réaliser la conversion chimique d'une charge en présence d'un catalyseur tout en apportant dans chacune des zones catalytiques la quantité de chaleur nécessaire. Il permet également d'extraire de manière différenciée le catalyseur au moins partiellement désactivé. Le réacteur selon l'invention permet ainsi de maintenir un niveau d'activité catalytique et/ou une productivité élevées en produit recherché. L'invention peut notamment être utilisée pour le réformage d'hydrocarbures, la déshydrogénation de l'éthylbenzène, et la déshydrogénation des paraffines telles que par exemple le propane, le n-butane, l'isobutane, les paraffines notamment linéaires ayant de 10 à 14 atomes de carbone, pour la production d'oléfines permettant de produire des alkylbenzènes, ou d'autres réactions chimiques. REVENDICATIONS 1-Réacteur de conversion chimique, contenant entre une extrémité supérieure et une extrémité inférieure un lit catalytique sensiblement vertical, et comportant en combinaison : - à proximité de l'extrémité supérieure dudit réacteur au moins un moyen d'introduction d'un catalyseur solide, - des moyens d'introduction et d'évacuation de ladite charge permettant sa circulation de façon sensiblement horizontale à travers le lit catalytique, - des moyens de chauffage, de ladite charge, intégrés dans ledit réacteur, caractérisé en ce que ledit réacteur comporte à proximité de son extrémité inférieure au moins un moyen d'extraction différenciée du catalyseur entre une partie amont et une partie aval dudit lit catalytique, relativement au sens de circulation de la charge. 2-Réacteur selon la revendication 1 dans lequel le moyen d'extraction différencié du catalyseur est choisi dans le groupe formé par des moyens d'extraction continus et les moyens d'extraction discontinus. 3-Réacteur selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le lit catalytique comprend une pluralité de zones catalytiques séparées par des zones non catalytiques de chauffage de la charge. 4-Réacteur selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le moyen d'extraction du catalyseur le plus en amont diffère du moyen d'extraction situé le plus en aval par sa plus faible capacité d'extraction. 5-Procédé de conversion chimique d'une charge utilisant un réacteur selon l'une des revendications 1 à 4. 6-Procédé de conversion chimique selon la revendication 5 dans lequel la charge est une charge d'hydrocarbures. 7-Procédé de conversion chimique selon la revendication 5 ou 6 dans lequel on effectue la déshydrogénation catalytique d'une charge d'hydrocarbures paraffiniques.