Brevet FR2824495A1 — publié le 20021115

ressort(s) de pression (21) consiste(nt) en de l'acier fin. Dans le domaine spécifique des réactions d'hydrotraitement, d'hydrodésulfuration, d'hydrodéazotation, dhydrocraqua=,e, d'hydrodéaromatisation, et d'hydrogénations sélectives ou totales ou partielles c'est à dire dans les domaines ou les réactions sont exothermiques et récessitent leur refroidissement par un fluide supplémentaire, habituellement gazeux mais é\etuellement liquide ou parfois mixte contenant du liquide et du gaz, il est nécessaire d'avoir un très bon système de trempe (Quench selon la dénomination anglo-saxonne qui est le plus souvent celle employée par les hommes du métier et sera utilisée dans la suite de la description de la présente invention) pour effectuer d'une part le refroidissement des fluides du procédé (process selon la dénomination anglo-saxonne) à la température désirée et d'autre part leur l O homogéncisation en température (fonction mélange). Le ou les fluides process peut ou peuvent être liquide(s) gazeux ou mixte. lour efIectuer cette trempe et cette homogénéisation l'homme de l' art est souvent conduit à utiliser un agencement spécifique d'internes souvent complexes comportant une introduction du fluide de Quench la plus homogène possible dans la section du réacteur ce qui peut se faire soit par des systèmes multitrous tels que ceux décrits par exemple dans les documents de brevets US 3353924, EP 716,881, US 5.025,831 soit par des systèmes de type araignée tels que ceux clécrits par exemple dans les documents de brevets US 4.836,989, FR 2.253.554 soit encore clirectement dans une chambre de mélange par plusieurs tubes tels que cela est en particulier décrit dans le document de brevet WO 9746303, suivi d'une ou plusieurs boAtes de mélange destinées à lomogénéiser les fluides process et le ou les fluides de Quench. Ces bo^tes sont généralement très complexes. Elles sont souvent doubles voir triples telles que celles décrites dans les documents de brevets US 5,232,283, US 5,462,719, US 5, 567,396 souvent munies d'internes tels que des pales, cIes ailettes, des chicanes ou des déflecteurs comme décrits par exemples dans les brevets US 5.462.719, US 5,567,396, WO 9746303. Les inconvénients majeurs de ce type de système, outre la qualité du mélange qui est souvent d'une qualité plus ou moins bonne, sont l'encombrement (place prise dans le réacteur), la complexité de réalisation et de mise en _uvre et, la perte de charge induite. Dans beaucoup de systèmes décrits dans l'art antérieur, les entrées et les sorties sont généralement très nombreuses comme cela ressort en particulier des descriptions des documents cie brevets US 5.462.719 et US 5,567,396. Il est alors peu probable qu'une hétérogénéité locale préexistante en entrce du système puisse diminuer en sortie du système qui ne semble pas permettre un mélange suffisant avec l'ensemble du fluide circulant dans le système. I_a présente invention a en particulier pour but d' assurer un échange efficace entre le ou les fluide(s) de Quench et le ou les fluide(s) process. Elle à également pour but de pallier les principaux inconvénients des différents systèmes de l'art antérieur tel que celui connu du clemandeur et cité ci-devant dans la présente description, et en particulier: - de rattraper tous les effets d'inhomogénéités en température du ou des fluide(s) process, - de minimiser la perte de charge (AP) induite par la bo^tte de contact, de mélange et de trempe de la présente invention, - de pallier les inconvénients liés à la complexité et à l'encombrement des solutions proposées dans 1'art antérieur. I a présente invention comprend une enceinte réactionnelle contenant au moins une bo^ite assurant au moins une partie de la trempe, de la mise en contact et du mélange d'au moins un fluide de ()erch, ce fluide pouvant étre liquide ou gazeux ou mixte contenant du liquide et du gaz, avec au moins un fluide process et souvent avec au moins une phase gazeuse comprenant au moins en partie de l'hydrogène et au moins une phase liquide pour une enceinte ou réacteur contenant au moins un lit de solides catalytiques granulaires, les dites phases étant en écoulement glob al ement descendant dans ladite enceinte et traversant ledit lit de solides granulaires. Dans sa forme la plus large la présente invention concerne une enceinte réactionnelle (4) de forme allongée le long d'un axe sensiblement vertical dans laquelle on fait circuler du haut vers le bas de ladite enceinte (4) au moins un fluide réactionnel à travers au moins un lit (5) de catalyseur, ladite enceinte comprenant en aval du lit (5) de catalyseur dans le sens de circulation dudit fluide réactionnel au moins un moyen (1) d'introduction d'au moins un fluide de trempe et en aval dudit moyen (1) cl 'introduction du fluide de trempe au moins une bo^te (8) de contact, de mélange et de trempe desdits fluides, de dimension principale (D) et de hauteur (H1), comportant au moins une section de passage (9) d'entrée desdits fluides dans ladite bo^te (8), dans laquelle ladite bo^te (8) comporte en aval de ladite section de passage (9) dans le sens de circulation dudit fluide réactionnel, un moyen (11) assurant dans ladite bo^te (8) la mise en mouvement tourbillonnaire d es fluides selon une direction sensiblement non radiale et non parallèle à l' axe de ladite enceinte et comportant en aval dudit moyen (11), dans le sens de circulation dudit fluide réactionnel, au moins une section de passage (10) de sortie dudit mélange de fluides formé dans ladite bo^te (8). Dans la bo^te (8) sous 1'effet du moyen (11) les fluides acquièrent un mouvement dit de rotation ou tourUillonnaire habituellement dans un plan non parallèle à un plan passant par l' axe de l ' enceinte et souvent dans un plan sensiblement perpendiculaire à l' axe de l' enceinte. Le mélange de fluides sortant de la bo^te (8) circule ensuite habituellement selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de l'enceinte. (ette enccinte comporte au moins un tube (1) (voir figurel) d'introduction du fluide de Quench, cc ube aNant au moins une section de passage (2) (voir figurel) de forme quelconque mais de lréterence oblong ou sensiblement circulaire pour l'entrée de la majeure partie du fluide de ()uench et au moins une section de passage (3) (voir figurel) de forme quelconque pour la sortie de la majeure partie du fluide de Quench. Le fluide de Quench est injecté dans ladite enceinte (4) (oir figure l) sensiblement en dessous d'un lit de solide granulaire (5) (voir figurel) et dans le cas non limitatif de la présente invention schématisé sur la figure (1) sensiblement au-dessus d'un lit de solide granulaire (6) (voir figure l). La figure 1 représente schématiquement une enceinte ou rcacteur selon 1'invention mais ne doit pas étre considérée comme limitative et il en est de méme cies tigTures 2, 3, 4a, 4b, 5a, 5b et 6 qui ne sont que des exemples schématiques particuliers illLstrant la présente invention. Sur ces figures schématiques les organes similaires sont désignés par les méme chiffres et lettres de rétérence. Cette enceinte telle que schématisée sur la figure 1 comprend un plateau de distribution (7) des diverses phases circulant dans 1'enceinte. On ne sortirait pas du cadre de la présente invention en incluant dans l'enceinte (4) plusieurs plateaux de clistribution et/ou plusieurs systèmes d'introduction d'un fluide de quench. La bo'^te (8) de forme uelcongue faisant partie intégrante de la présente invention peut occuper de 2 à 100 % de la 00 section (S) de l'enceinte, elle occupe souvent de 5 à 98 % de cette section et le plus souvent de 5 à 25 ''/0 de cette section. Cette bo^te (8) schématisée sur la figure 1 et de façon plus détaillée sur la l-,gure 2 comprend dans sa partie supérieure au moins une section de passage (9) (voir figure 2) de forme quelcouque pour l'introduction du ou des fluides process qui peuvent être soient gazeux soient liquides soient liquides et gazeux et pour l' introduction du ou des fluides de Quench dans la lote () et au moins une section de passage (10) (voir figure 2) de forme quelconque dans sa lartie inférieure pour la sortie du mélange des fluides process et de Quench. Le plus souvent les sections de passage (voir figure 2) (9) et (10) ne sont pas directement 1'une au-dessus de l'autre, lien gue cela ne soit pas exclu dans le cadre de la mise en _uvre de la présente invention. La lauteur (H1) (voir figure 2) de la bo^te (8) varie souvent d'environ 5 à environ 1000 millimètres (nm) de préférence d'environ 30 à environ 300 mm. Le moyen (11) situé en aval de chaque section de passage (9) (voir figure 2) est le plus souvent un, déflecteur (11) de forme quelconque dont l'enveloppe correspond sensiblement à l'enveloppe de la section de passage (9) et dont la longueur (L2) est habituellement comprise (bornes incluses) entre environ 1 %, (souvent environ /O et le plus souvent environ 10 %) de la longueur (L1) de 1'entrée de la section de passage (9) et 100%, (souvent 90 % très souvent 80 % et le plus souvent 50 %) de la dimension principale (D) (voir figure 2) de la bo^te (8). La longueur L1 de la section (9) est elle-méme habituellement comprise entre I % et 100 % de la dimension principale (D), ce ratio est fonction du nombre de section de passage (9), en particulier lorsque 1'on a quatre sections de passages (9), L1 est - iabituellement compris entre 1% et 78% dc-- préférence entre 5% et 60% de la dimension lr-incipale (D) La hauteur (H2) du déflecteur (11) est habituellement comprise (bornes incluses) cntre I et 95 %. souvent entre 10 et 90 % de la hauteur (Hl) de la boîte (8) Cet interne comporte (\oir i;t,ure 2) une section de passage (9) sensiblement horizontale d'entrée des fluides dans sa arrie supérieure et une section de passage (12) sensiblement verticale pour la sortie des fluides. I a section de passage (lO) de sortie du mélange de fluide de la boîte (8) est de longueur L3. La longueur L3 est habituellement comprise entre 1% et 100% de la dimension principale (D), ce ratio est fonction du nombre de section de passage (10), en particulier lorsque 1'on a une seule section de passage (10), L3 est compris entre 1% et 100% de prétérence entre 10% et 90% de la diinension principale (D). Elle peut, dans une réalisation particulière et parfois préférée, être munie d'un déflecteur de sortie (13) de longueur L4 en sa périphérie, cette longueur (L4) est labituellement comprise (bornes incluses) entre environ l %, (souvent environ 5 % et le plus souvent environ 10 %) de la longueur (L3) de 1'entrée de la section de passage (10) et environ %, (souvent 90 % très souvent 80 % et le plus souvent 50 %) de la dimension principale (D) (voir figure 2) de la boîte (8). Selon une réalisation particulière en amont de chaque section de passage (10), dans le sens de circulation dudit fluide réactionnel, I'enceinte réactionnelle comporte un déflecteur (13) de forme cluelconque dont l'enveloppe correspond sensiblement à l'enveloppe de la section de passage ( IO) La hauteur (H3) du déflecteur (13) est habituellement comprise (bornes incluses) entre l et % et souvent entre 5 et 95 % et très souvent entre 5 et 50 % de la hauteur (H1) de la boîte de mélane (8) Le déflecteur (13) couvre habituellement (bornes incluses) entre 1 et 100 %, et souvent entre 5 et 100 % et le plus souvent entre 20 et 100 % de la périphérie de la section de passage ( 1 O). I enccinte réactionnelle comporte souvent en comporte en aval de la boîte (8), dans le sens de circulation du fluide réactionnel, au moins un plateau distributeur (7) et en aval de celui-ci, dans le sens de circulation du fluide réactionnel, au moins un deuxième lit (6) de catalyseur. Selon une autre réalisation l'enceinte réactionnelle peut comporter en aval de la boîte (8), dans le sens de circulation du fluide réactionnel, au moins un diffuseur de type plaque perforée (77), en avai de celui-ci, dans le sens de circulation du fluide réactionnel, au moins un plateau distributeur (7) et en aval de celui-ci, dans le sens de circulation du fluide réactionnel, au moins un deuxième lit (6) de catalyseur. I 'enceinte (4) est le plus souvent une enceinté de section circulaire qui comporte une bo^te (8) S dont la surface peut être égale à la surface de la section de l'enceinte. Cependant la surface de la lote (8) est souvent inférieure à la surface de la section de 1'enceinte et dans tous les cas la suriace totale des sections de passages (9) est inférieure à la surface de la section de 1'enceinte et cle même la surface totale des sections de passages (10) est inférieure à la surface de la section de I enccinte. I'ar rapport aux dispositifs décrits dans l' art antérieur, le dispositif qui comporte la bo^te (8) de la résente invention offre les avantages suivants: - une efficacité de mélange accrue par la succession des opérations élémentaires suivantes: effet de déversoir en entrce de bo^te, impact sur l'interne (11) déversoir à I'intérieur de la bote de mélange combiné à un effet de tourbillon induit par le changement de direction (mouvement vertical vers mouvement horizontal) [ce mouvement horizontal est schématisé sur les figures 4b et Sb par le trait et la flèche (14)]. De plus dans le cas o la bo^te (8) est munie d'un déflecteur (13) on ajoute un effet d'impact contre le déflecteur (13) puis effet de déversoir en sortie de la boite (8), ces différentes étapes contribuant à une augmentation significative de la surface de contact et du temps de séjour, - une simplicité de mise en _uvre - une compacité de l'ensemble - une faible perte de charge induite due au faible nombre d'internes mis en place. DNautres avantages et caractéristiques de l'invention appara^tront mieux à la lecture de la dcscription donnce ci après à titre d'exemples de réalisation. 1,a figure l montre schématiquement un réacteur comportant deux lits (5) et (6) de solides granulaires entre lesquels on trouve un tube de Quench (1), pourvu d'une section d'entrce (2) et de sections de passages (3) d'au moins un fluide de quench, une boAte (8), un diffuseur de type plaque perforée (77) et un plateau distributeur (7). La bo^te (8) se trouve à une distance (H) en dessous du lit catalytique (5) (voir figures l et 6). On ne sortirait pas du cadre de la présente invention en utilisant une enccinte ne comportant pas de diffuseur (en particulier de diffuseur de 3 S type plaque perforée). I es figures 2 et 3 montrent schématiquement en coupe des exemples de géométries réalisables pour la bote (8) munie d'une ou plusieurs sections d'entrée (9), d'internes (11) d'une ou llusieurs sections de sortie (10) et de déflecteurs (13). Les figures 4a et Sa donnent les vues de dessus de botes (8) particulières correspondantes respectivement aux bo^tes (8) schématisées sur 1es thTuies 2 et 3; les figures 4b et Sb donnent les vues de dessous de botes (8) particulières correspondantes respectivement aux bo^tes () schématisées sur les figures 2 et 3. \ titre dexemple non limitatif, des mesures d'effcacité d'un tel dispositif ont été réalisées selon le lrincipe décrit ci après. Une maquette de diamètre 480 mm est découpée en deux secteurs dans sa I () partie supérieure (voir figure 6). Les deux secteurs sont pareillement alimentés en gaz (G) et en liquide (L), un secteur étant chauffé (fluides à la température TAT) l'autre non chauffé (fluides à la température T).A Le déséquilibre thermique AT est mentionné ci-après. En aval de cette partie -eprésentant le lit catalytique (S), l' installation comprend une chambre de mélange de hauteur (H), à lintérieur de laquelle est placé un tube d'injection (1) de gaz de trempe (dit tube de quench), suivie d'une bo^te (8) de contact, de mélange et de trempe. Des mesures de température sont réalisées en sortie de lit de solides granulaires (S), et en sortie de bo^te (8). Les mesures ont été réalisoes pour une vitesse superficielle liquide en fût vide (Vsl) de 1 cm/s et pour une vitesse superficielle gaz en fût vide (Vsg) de 10 cm/s et pour une vitesse superficielle en fût vide d'hltroduction du az de Quench (Vsgq) de O,S cm/s. Les cas 1 et 2 (tableau l) ont été réalisés avec une hauteur de chambre (H) de 1000 mm et SOO mm respectivement, et avec une bo^te (8) sans déflecteur d'entrée (l l) et sans déflecteur de sortie (13) et un déséquilibre thermique entre secteurs de 34 C. Le cas 3 a été réalisé pour exactement les mémes conditions que le cas 2 mais avec la mise en place des déflecteurs (11) et (13). Le cas 4 a été réalisé pour un encombrement réduit, hauteur de chambre de 250 mm, et pour un déséquilibre thermique entre secteurs de 39 C. Tous ces cas ont été réalisés avec une bo^te (8) de géométrie identique (méme nombre d'orifices d'entrée et de sortie, méme dimensions D, L1, L3, H1 seule la présence ou non de déflecteurs varie) et dans une enceinte de géométrie identique pour les autres éléments dans tous les cas. Dans les cas 3 et 4 les dimensions L2, L4, H2 et H3 ont été maintenues constantes. Cas H (mm) Déflecteurs AT ( C) sortie AT ( C) sortie | de lit d'interne 1 1000 non 34 7,5 2 1 500 non 34 14,3 3 1 500 oui 34 1,2 1 250 1 oui 39 1, 6 On constate que: 1: sans les déflecteurs, la réduction de la hauteur de chambre est nuisible à 1'effcacité de l'ensemble quench, les écarts de température en sortie de boîte de contact, de mélange et de trempe augmentent lorsque la hauteur H diminue (comparaison cas 1 et 2), : ec ajout de déflecteurs, mais toute chose égale par ailleurs, on observe une très forte baisse () des écarts de température en sortie de bo^te (8) (comparaison cas 2 et 3), : la bonne efficacité d'un système selon la présente invention n'est que très peu affectée par une diminution de son encombrement (réduction de H) en conservant une boAte (8) de lauteur (H1) constante et par la sévérisation des conditions d'utilisation (augmentation des earts de température du cas 3 au cas 4) REVENDICATIONS I - Enceinte réactionnelle (4) de forme allongée le long d'un axe sensiblement vertical dans laquelle on fait circuler du haut vers lé-bas de ladite enceinte (4) au moins un fluide réactionnel à travers au moins un lit (5) de catalyseur, ladite enceinte comprenant en aval du it (5) de catalyseur dans le sens de circulation dudit fluide réactionnel au moins un moyen I) d'introduction d'au moins un fluide de trempe et en aval dudit moyen (1) dintroduction clu fluide de trempe au moins une boîte (8) de contact, de mélange et de trempe desdits tluides, de dimension principale (D) et de hauteur (H1), comportant au moins une section de passage (9) d'entrée desdits fluides dans ladite boite (8), caractérisée en ce que ladite boîte (8) comporte en aval de ladite section de passage (9) dans le sens de circulation dudit fluide r éactionnel, un moyen ( 11) assurant dans ladite boite (8) la mise en mouvement tourUillonnaire des fluides selon une direction sensiblement non radiale et non parallèle à l a>:e de ladite enceinte et comportant en aval dudit moyen (11), dans le sens de circulation dudit fluide réactionnel, au moins une section de passage (10) de sortie dudit mélange de iluides formé dans ladite boi^te (8). 2 - Enccinte réactionnelle selon la revendication 1 dans laquelle la longueur L1 de la section de lassage (9) est comprise entre l % et lOO % de la dimension principale (D) de la boîte (8). Q() - Enccinte réactionnelle selon la revendication 1 ou 2 dans laquelle le moyen (11) situé en aval de chaque section de passage (9) est un déflecteur (11) de forme quelconque dont l'enveloppe correspond sensiblement à l'enveloppe de la section de passage (9) et dont la loilgueur (L2) est comprise (bornes incluses) entre environ 1 % de la longueur (L1) de I'entrée de la section de passage (9) et environ 100% de la dimension principale (D) de la boite de mélange (8) Enceinte réactionnelle selon la revendication 3 dans laquelle la hauteur (H2) du déflecteur (I l) est comprise (bornes incluses) entre 1 et 95 % de la hauteur (H1) de la bo^ite (8) () - Enceinte réactionnelle selon l'une des revendications 1 à 4 dans laquelle la longueur L3 de la section de passage (10) est comprise entre 1 % et 100 % de la dimension principale (D) de la boite (8). ó- Enceinte réactionnelle selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'elle comporte en amont de chaque section de passage (10), dans le sens de circulation dudit iluide réactionnel, un déflecteur (13) dont l'enveloppe correspond sensiblement à l enveloppe de la section de passage (lO) et dont la longueur (L4) est comprise (bornes incluses) entre environ 1 % de la longueur (L3) de la section de passage (10) et environ 1()0% de la dimension principale (D) de la bo^te (8). 7 - Enceinte réactionnelle selon la revendication 6 dans laquelle la hauteur (H3) du déflecteur ( I,) est comprise (bornes incluses) entre l et 95 % de la hauteur (H1) de la bote (8). l() S- Enceinte réactionnelle selon l'une des revendications I à 7 dans laquelle les sections de passage (9) et (10) ne sont pas directement l'une au-dessus de l'autre, - Enccinte réactionnelle selon l'une des revendications 1 à 8 dans laquelle la bo^te (8) occupe l de 2 à 100 % de la section (S) de l'enceinte. - Enceinte réactionnelle selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisée en ce qu'elle comporte en aval de la boAte (8), dans le sens de circulation du fluide réactionnel, au moins un plateau distributeur (7) et en aval de celui-ci, dans le sens de circulation du fluide réactionnel, au moins un deuxième lit (6) de catalyseur. I l - Enceinte réactionnelle selon l'une des revendications l à 10 caractérisée en ce qu'elle comporte en aval de la bote (8), dans le sens de circulation du fluide réactionnel, au moins un diffuseur de type plaque perforée (77), en aval de celui-ci, dans le sens de circulation du fluide réactionnel, au moins un plateau distributeur (7) et en aval de celui-ci, dans le sens de circulation du fluide réactionnel, au moins un deuxième lit (6) de catalyseur. 2 - Enccinte réactionnelle selon l'une des revendications 1 à l l dans laquelle on fait circuler à n-avers au moins un lit de catalyseur au moins un fluide réactionnel gazeux contenant de ,0 Ilydrogène, au moins un fluide réactionnel liquide et dans laquelle on introduit en aval dudit lit de catalyseur au moins un fluide de trempe 13 - Utilisation d'une enceinte réactionnelle selon l'une des revendications 1 à 12 pour la réalisation de réactions exothermiques. 14 - Utilisation d'une enceinte réactionnelle selon l'une des revendications 1 à 12 pour la réalisation d'au moins une réaction choisie dans le groupe formé par les réactions d' hydrotraitement, d'hydrodésulturation, d'hydrodéazotation, d' hydrocraquage,