Brevet FR2966751A1 — publié le 20120504

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se situe dans le domaine des unités de raffinage à lit radial, le lit catalytique étant confiné entre une enceinte extérieure et une enceinte intérieure, et la charge traversant le lit de façon croisée par rapport à l'écoulement du catalyseur. Plus précisément, dans ce type d'unités à lit radial, le lit de catalyseur a une forme annulaire en ce qu'il s'étend depuis la périphérie extérieure de l'enceinte jusqu'à la périphérie intérieure de ladite enceinte qui définit le collecteur central permettant la collecte des effluents. La charge est généralement introduite par la périphérie extérieure du lit annulaire et traverse le lit catalytique de manière sensiblement perpendiculaire à la direction verticale d'écoulement de ce dernier. Les effluents réactionnels sont récupérés dans un collecteur central. La présente invention concerne l'aspect mécanique des réacteurs à flux radial et elle vise plus précisément à améliorer la résistance mécanique de l'enceinte extérieure, appelée dans la suite du texte la grille externe, ainsi qu'à faciliter les opérations de montage et de réparation de ladite grille. En effet, la grille extérieure peut être soumise à d'importantes contraintes mécaniques lors de phases transitoires non totalement contrôlées telles que les situations d'arrêt d'urgence, d'exothermicité brutale non contrôlée, ou encore de non respect des procédures opératoires, situations qui peuvent conduire à un flambage d'une partie de l'enceinte extérieure. Certains réacteurs sont particulièrement sensibles à cette problématique compte tenu de leur taille importante qui peut atteindre 5 mètres de diamètre et 20 mètres de hauteur. La grille externe peut subir un flambage par torsion, plus ou moins massif, la structure cylindrique glissant autour de sa propre circonférence, tout en s'appuyant sur le lit de catalyseur. On entend par massif le fait que le phénomène de flambage affecte une grande partie de la 25 circonférence, sur une certaine hauteur du réacteur. Dans la suite du texte nous parlerons pour caractériser ce type de déformation, de flambage de structure en ce sens qu'il résulte d'un effort vertical dirigé vers le bas comprenant notamment la reprise d'une partie du poids de catalyseur. Ce flambage induit un affaissement local de la structure par un effet de torsion global de la grille cylindrique. 30 EXAMEN DE L'ART ANTERIEUR La majorité des réacteurs utilisés dans l'industrie pétrolière pour réaliser les réactions de reformage d'hydrocarbures ou d'isomérisation squelettale de coupes oléfiniques sont des réacteurs radiaux. Le lit catalytique a la forme d'un anneau cylindrique vertical limité du côté intérieur par une grille interne retenant le catalyseur, et du côté extérieur, par une autre grille du même type dite grille externe. Les grilles interne et externe sont perméables et laissent le gaz passer au travers tout en retenant la matière granulaire constituée par le lit catalytique. Cette perméabilité permet du côté de la grille externe le passage de la charge dans le lit catalytique annulaire, et du côté de la grille interne le passage des effluents de réaction dans le collecteur central. La charge gazeuse entre par le sommet du réacteur et se répartit dans la zone de distribution située entre la paroi extérieure du réacteur et la grille externe, puis traverse de manière sensiblement radiale le lit catalytique annulaire. Après la traversée du lit catalytique, les effluents réactionnels sont collectés dans un collecteur 15 cylindrique vertical délimité par une grille interne. Le catalyseur utilisé dans les réacteurs de reformage peut avoir des formes diverses telles que par exemple extrudées, billes ou autres. La présente invention n'est pas liée à une granulométrie ou une forme particulière des particules de catalyseur. Le diamètre des particules de catalyseur varie généralement entre 0,5 mm et 4 mm, et plus 20 particulièrement entre 1,5 et 3 mm. Lorsque les particules ne sont pas sensiblement sphériques, par exemple ont une forme d'extrudés cylindriques, la définition du diamètre est celle du diamètre équivalent dit de Sauter, qui conserve le rapport surface sur volume de la particule. La problématique liée à la technologie des réacteurs catalytiques à lit radial en phase gaz est 25 essentiellement de confiner le catalyseur dans la zone annulaire délimitée par les grilles externe et interne, et ceci quelles que soient les conditions opératoires (en opération normale, en situation de refroidissement, de réchauffement, ou en cas d'arrêt urgence) pouvant engendrer des dilatations différentielles importantes liées aux différents niveaux thermiques de l'unité. 30 Selon l'art antérieur, les grilles externe et interne sont constituées d'un assemblage de fils verticaux ayant généralement un profil en V, maintenus solidaires entre eux par un ensemble d'anneaux métalliques appelés anneaux horizontaux soudés aux fils verticaux en tout point de contact avec ces derniers. La rigidité de l'ensemble constitué par les anneaux horizontaux et les fils verticaux est liée à la déformabilité des mailles de la grille. Dans le cas de la fabrication des grilles actuelles, cette rigidité est limitée par les connexions des fils verticaux et des anneaux horizontaux réalisées par soudure. La demande de brevet FR 09/06.017 fournit une solution par renforcement de la grille externe au moyen de filets hélicoïdaux formant une ou plusieurs spirales parallèles s'enroulant autour de ladite grille. La solution décrite dans la présente invention consiste essentiellement en un découpage de la grille externe en un certain nombre de morceaux reliés entre eux par des liaisons de type standard, chaque morceau ayant une forme bien définie. Les avantages liés à l'invention sont notamment : 1) la possibilité de monter et de réparer la grille externe uniquement dans la zone 15 concernée par remplacement d'un ou plusieurs morceaux, 2) l'augmentation de la rigidité de la grille par rapport à une grille de même dimension en un seul tenant. Cet effet est illustré par l'exemple faisant partie de la présente demande. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES 20 La figure 1 est une vue schématique d'une unité à lit radial qui permet de situer l'emplacement de la grille objet de l'invention La figure 2 est une vue d'un module constituant la grille externe selon l'invention. La figure 3 est une vue d'un ensemble de modules selon l'invention, disposés en quinconce. 25 DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTION La présente invention se définit comme un mode de constitution de la grille externe utilisée dans les réacteurs radiaux du type des réacteurs de réformage catalytique des essences ou d' isomérisation squelettale des coupes C5. La présente invention s'applique à tous les procédés faisant appel à un réacteur du type lit radial à écoulement de catalyseur en lit mobile. 30 Parmi ces procédés, on peut citer le procédé ethanol to ethylène (EtO), l'oligograquage des coupes oléfiniques pour produire du propylène / éthylène, la production d'ammoniaque, la déshydrogénation des paraffines et des aromatiques. La grille externe du réacteur à lit radial est divisée en modules parallélépipédiques sensiblement égaux, chaque module étant muni de bordures sensiblement perpendiculaires au plan du module, orientées vers l'intérieur du réacteur, et d'une largeur comprise entre 1 cm et 10 cm, et préférentiellement entre 1 et 5 cm. Ces bordures permettent la fixation des modules adjacents par boulonnage. D'autres possibilités de fixation des modules font partie des techniques connues de l'homme du métier, par soudure par points ou par utilisation de clavette par exemple. La présente invention n'est pas liée au mode de fixation des modules entre eux. Plus précisément, un réacteur en lit radial selon l'invention se compose d'une grille cylindrique externe de type grille Johnson, et d'une grille cylindrique interne sensiblement coaxiale à la grille externe, les deux grilles définissant entre elles un espace annulaire contenant le lit de catalyseur qui s'écoule par écoulement gravitaire, et permettant la traversée de la charge et des effluents réactionnels dans un sens sensiblement perpendiculaire à celui de l'écoulement du catalyseur. Dans un réacteur à lit radial selon la présente invention, la grille externe est divisée en modules sensiblement égaux assemblés par boulonnage, ou par un système de clavettes, ou par soudure par points. Chaque module a une forme d'arc parallélépipédique avec une hauteur H comprise entre 1/20 et 1/2 fois la hauteur du réacteur, et préférentiellement compris entre 1/15 et 1/3 fois la 20 hauteur du réacteur. Le côté d'un module a une forme d'arc de cercle, et sa longueur est définie en terme d'angle a. Étant donné le rayon R de la grille externe, le côté d'un module d'angle a a donc pour longueur R*a. Le rayon R de la grille est sensiblement égal au diamètre du réacteur divisé par 2. 25 L'angle a est compris entre 20° et 90°, et préférentiellement compris entre 20° et 60°. La hauteur du réacteur est généralement comprise entre 2 et 15 mètres, et le diamètre du réacteur est généralement compris entre 1 et 10 mètres. La liaison entre deux modules adjacents au sens de deux modules consécutifs d'une même rangée ou de deux modules superposés ou partiellement superposés (dans le montage en 30 quinconce), peut être réalisée par boulonnage, ou par un système de clavette, ou par soudure par point. Le mode d'assemblage des modules adjacents n'est pas une caractéristique distinctive de l'invention, et l'assemblage entre modules adjacents peut être réalisé par tout procédé connu de l'homme du métier. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 1 montre un schéma classique d'une unité de reformage à lit radial comprenant: (1) : une virole ou enveloppe externe du réacteur (2) : la grille interne attenante au collecteur central (5) (3) : la grille externe (4) : une tubulure d'arrivée gaz (5) : le collecteur central des effluents réactionnels Cette disposition des éléments notés (1) à (5) est selon l'art antérieur, l'invention portant sur la constitution des grilles (2) ou (3), et plus particulièrement sur la constitution de la grille 15 externe (3). La description qui suit concerne un module constitutif de la grille externe et s'appuie sur la figure 2. Un module est constitué d'un morceau de grille Johnson. Une grille Johnson est constituée par une série de fils verticaux (7) et d'anneaux horizontaux (8) formant une maille rectangulaire. 20 Les fils verticaux (7) sont séparés d'une distance horizontale comprise généralement entre 0,1 et 5 mm pour les procédés de reformage catalytique. De façon générale, la distance entre fils verticaux est inférieure au diamètre équivalent du catalyseur divisé par 2. Les fils verticaux sont maintenus solidaires par un ensemble d'anneaux horizontaux (8) séparés d'une distance verticale (d) comprise entre 5 mm et 200 mm, et préférentiellement 25 comprise entre 10 mm et 100 mm. Les fils verticaux définissent des interstices d'une largeur comprise entre 1 et 2 mm. Un module consiste donc en un morceau de grille Johnson bordé sur ses 4 côtés par des bordures sensiblement perpendiculaires au plan dudit morceau, et orientées vers l'intérieur du réacteur, ces quatre bordures formant une sorte de cadre rigidifiant. 30 Dans une version préférée du réacteur selon la présente invention, chaque module a une hauteur comprise entre 1/15 et 1/3 fois la hauteur du réacteur, et un côté de longueur D/2*a, avec a compris entre 20° et 60°, D désignant le diamètre du réacteur. De manière générale, les modules constituant la grille externe se répartissent en plusieurs 5 rangées notées de bas en haut de 1 à N, deux rangées successives, notées I et I+1, étant préférentiellement disposées en quinconce. De manière générale, la liaison entre deux modules adjacents est réalisée par boulonnage, par un système de clavette, ou par soudure par points. Préférentiellement elle est réalisée par boulonnage. 10 Les bordures horizontales et verticales d'un module ont une épaisseur comprise entre 1 et 10 cm, et préférentiellement comprises entre 1 et 5 cm. Préférentiellement les bordures horizontales d'un module sont inclinées vers le bas d'un angle S par rapport à l'horizontale compris entre 0 et 45°. Les bordures horizontales (6) peuvent éventuellement être plus petites que les bordures 15 verticales (6') pour minimiser la formation de talus de solide reposant sur les bordures horizontales. Le réacteur selon la présente invention peut s'appliquer à tout procédé faisant appel à la technologie des lits radiaux à écoulement croisé de la charge et des effluents réactionnels. A titre d'exemple, on peut citer comme procédés susceptibles de mettre en application le 20 réacteur selon la présente invention, les procédés suivants: reforming régénératif des essences, isomérisation squelettale, métathèse, oligocraquage, déshydrogénation des paraffines, déshydrogénation des aromatiques et production d'ammoniaque. Des orifices (9) sont aménagés le long des bordures horizontales et verticales pour permettre leur assemblage, soit par boulonnage, soit par un système de clavette. Les modules peuvent 25 également être assemblés par soudure par point. Les modules sont généralement assemblés par rangée, c'est à dire que la première rangée située en bas du réacteur est constituée de N modules assemblés par leurs bordures verticales (6'). La seconde rangée est située au dessus de la première rangée et les modules de cette seconde rangée peuvent être, soit alignés avec ceux de la première rangée, soit décalés d'un 30 demi module de manière à réaliser un montage en quinconce. Préférentiellement, c'est le montage en quinconce qui est utilisé, comme montré sur la figure 3. EXEMPLE SELON L'INVENTION Le présent exemple compare un cas 1 de référence et deux cas selon l'invention. Le cas 1 de référence correspondant à l'art antérieur constitué d'un réacteur de reformage catalytique avec une grille externe de diamètre 2500 mm et de hauteur 8000 mm, et un collecteur central de 900 mm de diamètre. Le débit de charge essence à traiter est de 90 tonnes/heure. Les deux autres cas sont selon l'invention: - cas 2: grille externe construite à partir de 40 modules unitaires de dimension côté = 0,785 m, hauteur = 2 mètres - cas 3 : grille externe construite à partir de 44 modules unitaires de dimension côté = 1,96 mètre, hauteur = 0,727 mètre. Les bordures horizontales et verticales de chaque module ont toutes 5 cm de largeur. Les caractéristiques géométriques principales du réacteur sont données dans le tableau ci dessous : Diamètre virole (mm) 3000 Diamètre extérieur grille (mm) 2500 Diamètre pipe entrée (mm) 800 Distance entrée - collecteur (mm) 3000 Distance virole - collecteur (mm) 1000 Hauteur grille extérieure (mm) 8000 Diamètre virole (mm) 3000 Tableau 1 Cas étudié 1 2 3 Nombre total découpes radial (-) 1 10 4 Nombre total découpes hauteur (-) 1 4 11 Nombre total morceaux (-) 1 40 44 Arc grille unitaire (mm) 7854 785,4 1963 Angle a correspondant (deg) 36 90 Hauteur module unitaire (mm) 8000 2000 727 Rapport hauteur module/reac. (-) 1 1/4 1/11 Résistance comparée (-) Base 1 1,24 1,15 Tableau 2 Pour chaque configuration, la structure globale du réacteur est considérée comme étant celle d'un cylindre orthotrope caractérisé par un module de Young pour chaque direction principale (vertical El et horizontale E2). Le degré d'orthotropie est défini par le ratio entre l'épaisseur équivalente egXz dans un plan horizontale (définie par la section des fils et des renforts verticales), et l'épaisseur équivalente egxy dans un plan vertical (définie par la section des anneaux et des renforts horizontaux). La solution de renfort sera optimisée si le facteur (3 est proche de 1. eey XZ eey XY La contrainte critique de flambement de la structure est définie par la relation: rl-El giz 6CR .3.(1-vz) avec les paramètres matériaux suivants: E1, module de Young, u, coefficient de Poisson, g12, facteur de pénalité sur le matériau orthotrope 15 et avec un paramètre lié à la géométrie de la structure, ri, facteur d'élancement. La comparaison entre la contrainte réelle et la contrainte critique 6CR permet d'estimer un gain en résistance. Les configurations en grilles par morceaux selon l'invention (cas 2 et 3) permettent respectivement de gagner 24% et 15% sur l'augmentation de la charge verticale possible par 20 rapport à la solution d'une grille externe en un seul morceau.10 REVENDICATIONS1) Réacteur en lit radial comprenant une grille cylindrique externe et une grille cylindrique interne sensiblement coaxiales, définissant un espace annulaire contenant le lit de catalyseur, dans lequel la grille externe de diamètre D est une grille de type Johnson divisée en modules sensiblement égaux, chaque module ayant la forme d'un arc parallélépipédique avec une hauteur H comprise entre 1/20 etl/2 fois la hauteur du réacteur, et un côté correspondant à un secteur angulaire d'angle a, côté ayant donc une longueur égale à D/2*a, a étant compris entre 20° et 90°, et chaque côté d'un module étant équipé de bordures rentrant vers l'intérieur du réacteur, et sensiblement perpendiculaires au plan dudit module. 2) Réacteur en lit radial selon la revendication 1, dans lequel chaque module a une hauteur comprise entre 1/15 et 1/3 fois la hauteur du réacteur et un côté de longueur D/2*a, avec a compris entre 20° et 60°. 3) Réacteur en lit radial selon la revendication 1, dans lequel les modules constituant la grille externe se répartissent en plusieurs rangées notées de bas en haut de 1 à N, deux rangées successives, notées I et I+1, étant disposées en quinconce. 4) Réacteur en lit radial selon la revendication 1, dans lequel la liaison entre deux modules adjacents est réalisée par boulonnage, par un système de clavette, ou par soudure par points. 25 5) Réacteur en lit radial selon la revendication 1, dans lequel les bordures horizontales et verticales d'un module ont une épaisseur comprise entre 1 et 10 cm, et préférentiellement comprises entre 1 et 5 cm. 6) Réacteur en lit radial selon la revendication 1, dans lequel les bordures horizontales d'un 30 module sont inclinées vers le bas d'un angle S par rapport à l'horizontale compris entre 0 et 45°. 7) Application du réacteur radial selon la revendication 1 aux procédés suivants: reforming régénératif des essences, isomérisation squelettale, métathèse, oligocraquage, 35 déshydrogénation des paraffines, déshydrogénation des aromatiques et production d'ammoniaque.20