Brevet FR2961715A1 — publié le 20111230

L'invention concerne un réacteur de laboratoire intégrant au moins un dispositif de chauffage permettant d'obtenir un régime isotherme au sein du réacteur. Le dispositif comprend au moins une coquille de chauffage entourant une enceinte formant un espace clos et hébergeant au moins un réacteur tubulaire en lit fixe et des moyens de circulation d'un gaz. Le dispositif peut comprendre un interne au sein de l'enceinte. Le chauffage du réacteur est effectué par convection thermique du gaz dans l'enceinte. Le gaz est chauffé via l'enceinte par la coquille de chauffe. Les moyens de circulation créent un flux de gaz circulant à écoulement turbulent en boucle dans l'enceinte io hébergeant le réacteur, assurant ainsi un régime isotherme au sein du réacteur. Les réacteurs de laboratoire sont en général de petite taille avec des capacités de traitement typiquement de l'ordre de quelques dizaines de centimètre cube par heure. Ce sont généralement des réacteurs tubulaires 15 travaillant en lit fixe, généralement à co-courant de gaz et de liquide, et souvent proche du mode isotherme. L'utilisation des réacteurs de laboratoire permet d'obtenir des informations sur les réactions catalytiques utilisées ensuite pour les réacteurs industriels. Les réacteurs de laboratoire en lit fixe sont particulièrement bien adaptés pour l'étude des réactions d'hydrotraitement 20 et/ou d'hydroconversion et/ou d'hydrogénation de coupes hydrocarbures. Ces réactions peuvent nécessiter des pressions allant jusqu'à 10 ou 20 MPa, et des températures généralement comprises entre 150 et 500°C nécessitant ainsi des moyens de chauffe. Le niveau de compression conditionne l'épaisseur du tube du réacteur utilisé qui est généralement comprise entre 2 mm et 4 mm. 25 Cette paroi épaisse, généralement en acier inox, constitue une résistance à l'échange thermique qui impacte fortement le profil de température à l'intérieur du réacteur. Le chauffage des réacteurs est en règle générale assuré par au moins une coquille de chauffe qui entoure le tube du réacteur et qui permet de 30 contrôler la température à un point de mesure de contrôle. La coquille de chauffe a une forme cylindrique avec un évidement cylindrique orienté parallèlement à son axe longitudinal et s'étendant sur toute la longueur du cylindre. Afin d'assurer un bon chauffage, la paroi concentrique intérieure de la coquille de chauffe est en contact direct avec le tube du réacteur. Ainsi, chaque coquille de chauffe est spécifiquement construite pour un diamètre précis de tube de réacteur. Afin de pouvoir contrôler le profil de température du réacteur, plusieurs coquilles de chauffe sont de préférence utilisées, les unes empilées sur les autres et entourant le tube du réacteur. Chaque coquille est contrôlée par un point de contrôle. Dans le cas de réactions fortement exothermiques, il arrive localement que la température interne dépasse très largement (plus de 10 °C) la io température de consigne même lorsque la puissance de chauffe de la coquille de la zone considérée est nulle. Pour pallier à ce problème particulier de l'évacuation des calories excédentaires, les coquilles de chauffe sont généralement équipées d'une régulation chaud/froid des coquilles. Ce système améliore notablement la réactivité de la régulation et le contrôle de l'inertie des 15 coquilles. Mais ce système de régulation est toujours régulé par un point local de mesure donc idéal dans le seul cas de réactions athermiques. Dans le cas de réactions endothermiques où exothermiques la température de consigne n'est respectée qu'au seul point de la mesure de contrôle. De plus, un autre problème vient amplifier ce phénomène. Le chauffage 20 des réacteurs est généralement assuré par plusieurs coquilles de chauffe, les unes empilées sur les autres au tour du tube de réacteur. Elles permettent de contrôler le profil de température du réacteur en plusieurs points sachant qu'entre ces points la température est souvent différente de la température de consigne. Cette variation de la température est liée d'une part à l'effet des 25 réactions endothermiques ou exothermiques mais aussi et surtout par les effets de bord entre chaque coquille. Bien que constituée d'un matériau très conducteur, la conception de la coquille de chauffe ne permet pas d'obtenir une température homogène sur toute sa hauteur, ses extrémités sont immanquablement plus froides que son centre. Plus il y a de coquilles, plus il y 30 a de variations de température au passage de chacune d'entre elles, mais d'amplitudes plus faibles. La figure 1 montre un graphe d'un profil thermique réalisé sur un réacteur de laboratoire étant chauffé par plusieurs coquilles de chauffe, qui illustre parfaitement le problème du contrôle de la température interne des réacteurs. Les lignes horizontales du graphe délimitent les coquilles de chauffe autour du réacteur (position axiale en mm). Comme indiqué par des losanges sur la figure 1, le réacteur est chauffé par sept coquilles de chauffe. La température de consigne étant de 375°C, le graphe montre la variation réelle de la température, accentuée notamment peu après chaque passage d'une coquille de chauffe à une autre. Il existe donc au vu de ce qui précède un besoin pour un dispositif de lo chauffage intégrant au moins un réacteur de laboratoire en lit fixe qui permet d'obtenir un régime isotherme au sein du réacteur et qui soit simple, fiable, facile à mettre en oeuvre, flexible et qui implique de faibles investissements et de faibles coûts opératoires. Pour éliminer les effets de bord des coquilles, la convection thermique d'un gaz, présentant un moyen de chauffage homogène 15 et constant tout au long du réacteur, est utilisée. Pour limiter les effets dus à l'endothermicité ou l'exothermicité des réactions, il faut que le moyen de chauffage puisse compenser puissamment le manque ou le trop de calories localement. Ceci est assuré par une circulation turbulente du gaz. De plus, pour tendre vers l'isotherme, il faut optimiser le transfert de chaleur entre l'interne et 20 l'externe du réacteur en minimisant les parois du réacteur. L'objet de la présente invention est de proposer un dispositif de chauffage intégrant au moins un réacteur tubulaire en lit fixe permettant d'obtenir un profil de température isotherme à l'intérieur du réacteur. 25 Dans sa forme la plus large, la présente invention se défini comme un dispositif de chauffage pour réacteur en lit fixe comprenant moins une coquille de chauffage chauffant au moins une partie d'une paroi extérieure d'une enceinte, ladite enceinte formant un espace clos et hébergeant au moins un 30 réacteur, ladite enceinte étant remplie par un gaz et hébergeant des moyens de circulation du gaz, lesdits moyens de circulation créant un flux de gaz circulant à écoulement turbulent dans l'enceinte. De préférence, le dispositif comprend un interne dans l'enceinte pour former un premier espace entre la paroi interne de l'enceinte et la paroi externe de l'interne et un deuxième espace à l'intérieur de l'interne, lesdits moyens de circulation aspirant le gaz situé dans l'un des espaces et refoulant le gaz dans l'autre espace, créant un flux de gaz circulant en boucle à écoulement turbulent dans l'enceinte. L'interne est de préférence de forme cylindrique pour former un espace annulaire entre la paroi interne de l'enceinte et la paroi externe de l'interne et un premier espace cylindrique à l'intérieur de l'interne dans sa partie io supérieure, ledit premier espace cylindrique hébergeant le réacteur, l'intérieur de l'interne comprenant dans sa partie inférieure un système de canaux et un deuxième espace cylindrique situé dans le système de canaux et hébergeant lesdits moyens de circulation du gaz, le système de canaux mettant en communication le premier espace cylindrique à l'intérieur de l'interne avec 15 l'espace annulaire. Le réacteur est alimenté par des moyens d'alimentation se trouvant dans l'enceinte au contact avec ledit flux de gaz. De plus, l'enceinte est de préférence sous pression, c'est-à dire à une pression supérieure à la pression atmosphérique allant jusqu'à 10 MPa ou 20 20 MPa, et comprend des moyens de régulation de pression permettant de piloter la pression à l'intérieur de la dite enceinte par rapport à la pression à l'intérieur du réacteur. Préférentiellement, le gaz dans l'enceinte est à isopression par rapport à la pression à l'intérieur du réacteur. 25 Selon la présente invention, les coquilles de chauffe conventionnelles par conduction sont remplacées par un dispositif de chauffage comprenant un chauffage par convection thermique d'un gaz. L'homogénéité de chauffe tout au long du réacteur est obtenue par l'intermédiaire d'un gaz circulant à grande vitesse créant un écoulement turbulent sur la longueur de la paroi du réacteur. 30 Le flux du gaz dans l'enceinte circule de préférence à une vitesse comprise entre 0,1 et 1 m/s, de préférence entre 0,5 et 1 m/s. Le gaz est chauffé via l'enceinte par au moins une coquille de chauffe. Le temps de séjour de chauffe du gaz dans l'espace annulaire crée par l'interne et l'enceinte est inférieure à 1 seconde, de préférence inférieure à 0,3 seconde. Le gaz est de préférence un gaz inerte, de préférence de l'azote. s L'isotherme est obtenue par le débit important du gaz de chauffe et une épaisseur minimum de la paroi du réacteur. Le débit important de gaz maintenu à la température de consigne va permettre dans le cas de zone localement plus chaude ou plus froide d'être compensé efficacement et donc limiter l'écart par rapport à la température de consigne. Cet écart sera d'autant plus atténué que io le transfert de chaleur entre l'interne du réacteur et l'externe est rapide, d'où l'intérêt d'une paroi fine pour le réacteur. L'épaisseur de la paroi du réacteur selon la présente invention est comprise entre 0,3 mm et 0,1 mm. Le réacteur est de préférence en inox. La conception d'un réacteur à paroi fine n'est possible que si la pression is entre l'interne et l'externe du réacteur est identique. Le réacteur et l'enceinte sont donc de préférence maintenus à isopression. L'isopression est obtenue par des moyens de régulation de pression de l'enceinte pilotables par rapport à la pression interne du réacteur. De préférence, les moyens de régulation sont des vannes. Cette isopression permet de réaliser des réacteurs à paroi mince 20 en matériau plus conducteur que l'inox tel que le cuivre. La faible épaisseur et la conduction accrue du métal permettent d'améliorer le profil de température radial du réacteur et atténue les effets exothermiques pour obtenir une quasi isotherme entre l'intérieur et l'extérieur du réacteur. La pression dans l'enceinte peut aller jusqu'à 20 MPa. 25 La régulation de la chauffe se fait par rapport à la température du gaz au centre de l'enceinte. Pour ceci un thermocouple est de préférence installé au centre de l'enceinte. Le chauffage du réacteur est réalisé grâce à la chaleur tournante du gaz 30 contenu dans l'enceinte et de préférence à iso pression du réacteur. La température est rendue homogène dans l'enceinte par une circulation forcée du gaz inerte. La circulation forcée du gaz est obtenue par un ventilateur et un interne qui obligent le gaz à circuler en boucle tout au long du réacteur. Le gaz descend au centre de l'enceinte pour tenir le réacteur en température, traverse le système de canaux de l'interne puis remonte en périphérie où il se réchauffe sur la paroi de l'enceinte. L'interne a de préférence une forme spécifique permettant une circulation homogène du gaz en boucle. De préférence, l'interne est de forme cylindrique pour former un espace annulaire entre la paroi interne de l'enceinte et la paroi externe de l'interne et une espace cylindrique à l'intérieur de l'interne. io De préférence, l'interne a une forme cylindrique avec un évidement cylindrique orienté parallèlement à son axe longitudinal, l'évidement cylindrique s'étendant sur la partie supérieure de la longueur du cylindre de l'interne et créant ainsi une paroi annulaire. L'évidement cylindrique héberge au moins un réacteur avec son tube d'alimentation ainsi que, de préférence, un thermocouple. La 15 partie inférieure de l'interne comprend un système de canaux et un deuxième évidement cylindrique situé dans le système de canaux et hébergeant des moyens de circulation du gaz inerte. Les canaux ont de préférence un diamètre rond. L'interne est de préférence un interne métallique. Les moyens de circulation sont de préférence un ventilateur comprenant une hélice couplée à 20 un moteur d'entrainement, de préférence un moteur d'entraînement magnétique extérieur. La forme particulière de l'interne, et notamment le système de canaux, assure une répartition homogène du flux gazeux dans l'espace annulaire entre l'enceinte et l'interne puis autour du réacteur à l'intérieur de l'interne. Cette répartition homogène est avantageuse pour un chauffage 25 homogène. L'interne peut être fait en une seule pièce. Il peut également être fait en deux ou plusieurs pièces, par exemple en une partie supérieure et en une partie inférieure. L'interne peut aussi être un tube. 30 Le dispositif de chauffage comprend au moins une coquille de chauffe. De préférence, il comprend une seule coquille de chauffe. En effet, l'utilisation d'une seule coquille de chauffe dans le dispositif selon l'invention suffit pour atteindre l'isothermicité. Ceci présente l'avantage d'un gain d'équipements par rapport à la nécessité de plusieurs coquilles de chauffe utilisées classiquement. Grâce à l'enceinte et au chauffage par convection thermique du gaz, le chauffage nécessite plus un contact direct de la coquille de chauffe avec le tube du réacteur. Ainsi, le réacteur peut être de différents diamètres ou de différentes longueurs, tout est envisageable dans les limites de la taille de l'enceinte initialement conçue, ce qui permet d'avoir plus de flexibilité dans le choix du réacteur. Un autre intérêt est le fait que les moyens d'alimentation de la charge io pour le réacteur sont situés à l'intérieure de l'enceinte (2) et permettent de chauffer la charge avant son entrée dans le réacteur (7). Les moyens d'alimentation sont de préférence un tube. Ceci permet de remplacer un éventuel four de préchauffe de la charge. De même, la conception du réacteur et notamment sa fixation dans la 15 bride de fermeture et un raccord entre le tube d'alimentation et le tube du réacteur permettent un démontage facile et ainsi des faibles coûts opératoires. Un autre intérêt du dispositif selon l'invention est le fait de pouvoir utiliser le dispositif de chauffage pour des réacteurs en lit fixe fonctionnant en écoulement ascendant et en écoulement descendant. Bien que l'utilisation du 20 dispositif du chauffage soit décrite dans la présente invention en mode ascendant, il suffit de pivoter l'ensemble du système pour une utilisation en mode descendant. Un autre intérêt du dispositif selon l'invention est la possibilité d'utiliser plusieurs réacteurs dans une même enceinte de diamètre plus important. Ainsi, 25 plusieurs réacteurs en parallèle travaillant à isotempérature et isopression peuvent être chauffés par le même dispositif de chauffage. Ce mode de réalisation peut être particulièrement intéressant pour des tests de différents catalyseurs en parallèle à isoconditions opératoires. Le dispositif selon l'invention est particulièrement adapté pour une 30 utilisation dans des réactions d'hydrotraitement et/ou hydroconversion et/ou hydrogénation de coupes hydrocarbures. La description du dispositif de chauffage intégrant un réacteur en lit fixe selon un mode de réalisation préféré de la présente invention se rapporte aux figures 2 et 3. La figure 2 est une vue schématique en plan d'un dispositif de chauffage hébergeant un réacteur tubulaire en lit fixe. La figure 3 est une vue en coupe selon la ligne A-A de la figure 2. Le dispositif de chauffage du réacteur de laboratoire en lit fixe selon l'invention comprend au moins une coquille de chauffage (1) et une enceinte (2) capable de supporter des hautes pressions et fermée par un fond inférieur (3) et une bride de fermeture supérieure (4). L'enceinte (2) a une forme cylindrique avec un évidement cylindrique (5) orienté parallèlement à son axe longitudinal et s'étendant sur toute la longueur du cylindre. L'enceinte (2) forme un espace fermée et étanche. Afin d'assurer un bon chauffage, la paroi concentrique intérieure de la coquille de chauffe (1) est en contact direct (6) avec l'enceinte (2) assurant ainsi via la paroi de l'enceinte le chauffage du gaz circulant. Le réacteur (7) est placé au centre de cet enceinte, il comporte d'un tube central contenant le catalyseur (8). Ce tube central (7) du réacteur est alimenté depuis un tube d'alimentation (10) de moindre diamètre qui est placé dans la partie centrale (5) d'enceinte et qui longe le tube du réacteur (7) sur toute sa longueur. L'entrée (9) du tube d'alimentation (10) est fixée dans la bride de fermeture supérieure (4) par un raccord (11). La sortie du tube d'alimentation (10) rejoint le tube central (7) dans la partie basse de l'enceinte par un raccord (12). Le fait que le tube d'alimentation (10) se trouve à l'intérieure de l'enceinte (2) permet de chauffer la charge avant son entrée dans le réacteur (7) et remplace ainsi un éventuel four de préchauffe de la charge. Le raccord (12) entre le tube d'alimentation (10) et le tube central (7) contenant le catalyseur (8) assure un démontage facile et ainsi des faibles coûts opératoires. L'autre extrémité du tube central (7) contenant le catalyseur est raccordée par un tube d'évacuation (13) et un raccord (14) positionné dans la bride de fermeture (4) de l'enceinte permettant l'évacuation des effluents réactionnels (15). Le suivi de la température est réalisé au moyen d'un thermocouple (16) fixé également dans la bride de fermeture supérieur (4) par un raccord (17). La régulation de la chauffe se fait par rapport à la température du gaz au centre de l'enceinte. Le chauffage du réacteur est réalisé grâce à la chaleur tournante d'un gaz inerte, de préférence de l'azote. Le gaz inerte (18) est injecté par un tube d'alimentation (19) qui se trouve dans la partie supérieure de l'enceinte et peut être évacué par un tube d'évacuation (20) se trouvant également dans la partie supérieure de l'enceinte. L'intérieur du tube (7) et l'intérieur de l'enceinte (2) sont de préférence maintenus à iso pression. La mise en pression se fait par injection du gaz (18) sous pression. Les io vannes de régulation de pression de l'enceinte (21) et (22) sont pilotées par rapport à la pression interne du réacteur (24). La pression dans l'enceinte est mesurée par le capteur (23). La température est rendue homogène dans la capacité par une circulation forcée du gaz inerte. Pour ceci une hélice de ventilateur (25) obligent le gaz à circuler en boucle tout au long du réacteur. 15 L'hélice de ventilateur (25) est relié à un moteur d'entrainement magnétique extérieur (27). De plus, on peut disposer d'un interne (26) dans l'enceinte (2) pour former une espace annulaire (32) entre la paroi interne de l'enceinte (2) et l'interne (26) et un espace cylindrique à l'intérieur de l'interne (29). L'interne est de préférence métallique et est fixé par des supports fins (28) sur le fond (3) et 20 les côtés d'enceinte. L'interne a de préférence une forme cylindrique avec un évidement cylindrique (29) orienté parallèlement à son axe longitudinal, l'évidement cylindrique (29) s'étendant sur la partie supérieure de la longueur du cylindre de l'interne. L'évidement cylindrique de l'interne héberge le réacteur (7), le tube d'alimentation (9) ainsi que le thermocouple (16). La partie 25 inférieure de l'interne métallique comprend un système de canaux (30) permettant la répartition du flux gazeux et son évacuation vers la base de l'interne. La partie inférieure de l'interne métallique comprend également un évidement cylindrique (31) situé dans le système de canaux (30) et hébergeant l'hélice de ventilation (25). Le système de canaux et l'aspiration par le 30 ventilateur permet le passage du gaz inerte venant de l'évidement cylindrique supérieure (29) de l'interne via l'évidement cylindrique (31) hébergeant l'hélice et sortant via les canaux (30) à la partie inférieure de l'interne. La circulation du i0 flux gazeux, représentée par des flèches dans la figure 2, descend donc au centre de l'interne métallique pour tenir le réacteur en température puis, après le passage forcé par la ventilation (25) à travers le système de canaux (30), remonte en périphérie dans l'espace annulaire (32) entre la paroi intérieure de l'enceinte et la paroi extérieur de l'interne métallique où il se réchauffe sur la paroi de l'enceinte. Ensuite, le gaz redescend au centre de l'interne et ainsi de suite. La mise en service du dispositif selon l'invention comprend d'abord le chauffage de la coquille de chauffe (1). La charge et l'hydrogène sont injectés io via l'entrée (9) dans le tube d'alimentation (10) placé dans la partie centrale. Ceci permet de chauffer la charge avant son entrée dans le réacteur. La charge traverse ensuite le réacteur (7) et l'effluent sort en tête (15) par le tube d'évacuation (13). En même temps que la montée en température et en pression du 15 réacteur, le gaz inerte (18) est injecté dans l'enceinte. L'intérieur du réacteur et l'intérieur de l'enceinte sont maintenus à iso pression par des moyens de régulation de pression de l'enceinte pilotables par rapport à la pression interne du réacteur. Une fois que les conditions opératoires du réacteur sont atteintes, les vannes (21) et (22) sont fermées (sauf correction nécessaire en cas de 20 problème par les moyens de régulation de pression). La température est rendue homogène dans l'enceinte par une circulation forcée du gaz inerte. Le ventilateur (25) et la forme de l'interne (26) obligent le gaz à circuler en boucle tout au long du réacteur. Le gaz descend au centre de l'enceinte (29) pour tenir le réacteur en température, traverse le système de canaux (30) puis remonte 25 en périphérie dans l'espace annulaire (32) entre l'enceinte et l'interne où il se réchauffe sur la paroi de l'enceinte. La circulation forcée à écoulement turbulent assure ainsi le régime isotherme dans le réacteur. 30 REVENDICATIONS1. Dispositif de chauffage pour réacteur en lit fixe caractérisé en ce qu'il comprend au moins une coquille de chauffage (1) chauffant au moins une partie d'une paroi extérieure d'une enceinte (2), ladite enceinte formant un espace clos et hébergeant au moins un réacteur (7), ladite enceinte étant remplie par un gaz et hébergeant des moyens de circulation (25) du gaz, lesdits moyens de circulation créant un flux de gaz circulant à écoulement turbulent dans l'enceinte (2). io 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un interne (26) dans l'enceinte (2) pour former un premier espace (32) entre la paroi interne de l'enceinte (2) et la paroi externe de l'interne (26) et un deuxième espace à l'intérieur de l'interne, lesdits moyens de circulation (25) aspirant le gaz situé dans l'un des espaces et refoulant le gaz dans l'autre 15 espace, créant un flux de gaz circulant en boucle à écoulement turbulent dans l'enceinte (2). 3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel ledit interne (26) est de forme cylindrique pour former un espace annulaire entre la paroi interne de l'enceinte et la paroi externe de l'interne et un premier espace cylindrique (29) à 20 l'intérieur de l'interne dans sa partie supérieure, ledit premier espace cylindrique (29) hébergeant le réacteur (7), l'intérieur de l'interne comprenant dans sa partie inférieure un système de canaux (30) et un deuxième espace cylindrique (31) situé dans le système de canaux et hébergeant lesdits moyens de circulation (25) du gaz, le système de canaux mettant en communication le 25 premier espace cylindrique (29) à l'intérieur de l'interne avec l'espace annulaire (32). 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit réacteur (7) est alimenté par des moyens d'alimentation (10) se trouvant dans l'enceinte (2) au contact avec ledit flux de gaz. 30 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite enceinte (2) est sous pression et comprend des moyens de régulation depression (21, 22) permettant de piloter la pression à l'intérieur de la dite enceinte (2) par rapport à la pression à l'intérieur du réacteur (7). 6. Dispositif selon la revendication 5 dans lequel ledit gaz dans l'enceinte (2) est à isopression par rapport à la pression à l'intérieur du réacteur (7). 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel lesdits moyens de circulation (25) comprennent un ventilateur comprenant une hélice et un moteur d'entrainement. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel le flux du gaz dans l'enceinte circule à une vitesse comprise entre 0,1 m/s et 1 m/s. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit gaz est un gaz inerte, de préférence de l'azote. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé par le fait que ledit réacteur (7) fonctionne en écoulement ascendant ou en écoulement descendant. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'épaisseur de la paroi dudit réacteur (7) est comprise entre 0,3 mm et 0,1 mm. 12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé par le fait qu'il comprend une seule coquille de chauffe (1). 13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel le 20 réacteur (7) est en inox ou en cuivre. 14. Utilisation du dispositif selon l'une des revendications précédentes pour des réactions d'hydrotraitement et/ou hydroconversion et/ou hydrogénation de coupes hydrocarbures. 25