Brevet FR3029429A1 — publié le 20160610

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne la technologie de réacteur à lit radial avec circulation gravitaire de catalyseur et écoulement transversal de la charge. Elle s'applique plus particulièrement au reformage catalytique des essences avec régénération continue du catalyseur. L'invention permet de mettre en oeuvre de très faibles quantités de catalyseur selon une technologie de lit radial, particularité qui n'est pas possible avec les technologies actuelles. Le présent réacteur permet d'atteindre des PPH supérieures à 50 h-1 (rapport du débit de charge sur la masse de catalyseur). EXAMEN DE L'ART ANTERIEUR Dans l'art antérieur concernant les réacteurs à lit radiaux, on peut citer le brevet US 6221320 qui fait un récapitulatif des technologies conventionnelles (figures 10 et 11). Selon l'état de l'art, le lit catalytique dans un réacteur à lit radial est délimité par deux grilles, une grille interne et une grille externe. Plus précisément, on distingue généralement: - Une grille interne qui délimite le collecteur central des effluents gazeux, - Une grille externe qui délimite le volume d'alimentation de la charge à l'état gazeux. Le fluide procédé (ou charge) arrive par le volume externe défini entre la virole externe et la grille externe. Il traverse ensuite le lit catalytique de manière sensiblement horizontale et orthogonale à la circulation du catalyseur qui est gravitaire, c'est-à-dire sensiblement verticale de haut en bas. Le fluide procédé en écoulement radial et le catalyseur en écoulement gravitaire sont séparés par la grille interne qui a généralement une forme cylindrique de même axe sensiblement vertical que la grille externe. Le cylindre défini par la grille interne sert de collecteur central pour évacuer les effluents gazeux de la zone réactionnelle comprise entre la grille externe et la grille interne et donc de forme sensiblement annulaire. Les contraintes liées à la technologie en lit radial sont multiples. En particulier, les vitesses de gaz à la traversée du lit catalytique sont limitées pour : - éviter la cavitation en entrée du lit - éviter le blocage du catalyseur à sa sortie contre la grille interne, aussi appelé « pinning » en anglais 3029429 2 - réduire les pertes de charge (fonction de la vitesse et de l'épaisseur du lit) Pour des questions de distribution homogène sur toute la hauteur du lit catalytique, une grille perforée destinée à créer de la perte de charge peut être ajoutée sur le collecteur central. 5 Pour des raisons de construction, il est nécessaire de laisser un espace suffisant entre la grille interne et la grille externe. Lorsqu'on cumule l'ensemble des contraintes, le volume minimal de catalyseur pouvant être enfermé dans une virole est très contraint. De manière générale selon l'art antérieur, les PPH maximales sont de l'ordre de 20 h-1, alors que le réacteur selon la présente invention permet d'atteindre des PPH supérieures à 50 h-1. 10 DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La figure 1 a représente une vue éclatée de la virole (1) du réacteur selon l'invention, mais ne contenant pas de module (M), de manière à bien visualiser le plancher (13) qui supporte 15 lesdits modules. La figure 1 b est une vue éclatée du réacteur selon l'invention dans laquelle on peut voir les modules (M) et leur connexion avec la partie supérieure de la virole (1), ainsi que les jambes d'admission du catalyseur (10) et les jambes de soutirage (11). La figure 2a représente une coupe du réacteur en vue de dessus permettant de voir les 20 modules (M), la zone catalytique de chaque module (4) et les grilles externes (2) et internes (3) définissant ladite zone catalytique. La figure 2b représente une coupe du réacteur en vue de côté permettant de visualiser l'entrée de la charge (8) et la sortie des effluents (12) ainsi que le volume (9) de distribution de la charge sur l'ensemble des modules (M) et le volume inférieur (7) de collecte des 25 effluents issus de chaque module (M). La figure 2c représente un module (M) en vue de côté et permet de bien comprendre l'entité correspondante au sein du réacteur. DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTION 30 La présente invention décrit un type de réacteur à lit radial, destiné à mettre en oeuvre de faible quantité de catalyseur de l'ordre de la tonne et qui peut avantageusement constituer le premier réacteur de la série dans une unité de reformage catalytique des essences qui comprend selon l'art antérieur trois à quatre réacteurs placés en série. Ce réacteur peut être appelé modulaire au sens où il est constitué d'un ensemble de 35 modules identiques fonctionnant en parallèle et enfermés dans une virole unique. 3029429 3 Plus précisément, le réacteur selon la présente invention est un réacteur à écoulement radial de la charge et à écoulement gravitaire du catalyseur constitué d'un ensemble de modules (M) sensiblement identiques enfermés dans une virole unique (1), possédant des moyens d'introduction du catalyseur (10) situés dans la partie supérieure, et des moyens 5 d'évacuation dudit catalyseur (11) situés dans la partie inférieure (7), et un moyen d'introduction de la charge par une tubulure centrale supérieure (8) et un moyen d'évacuation des effluents par une tubulure centrale inférieure (12), chaque module ayant_la forme d'un cylindre délimité par une paroi externe (2) sensiblement verticale et une paroi interne (5) sensiblement verticale, l'ensemble des deux parois définissant une zone 10 annulaire (4) contenant le catalyseur, et les parois externes (2) et internes (5) de chaque module étant perméables à la charge gaz et aux effluents gaz, et étant généralement constituées de grille Johnson ou équivalentes, lesdits modules étant positionnés verticalement de manière globalement symétrique par rapport au centre de la virole (1), et les sorties des effluents de chaque module se faisant par le collecteur central (3) de chaque 15 module qui communique avec la partie inférieure (7) de la virole (1), le volume interne (9) et le volume inférieur (7) étant séparés par un plancher (13) qui fait étanchéité entre les deux volumes et permet également de supporter les modules (M), et l'épaisseur de lit radial de chaque module (M) étant comprise entre 10 et 400 mm, et préférentiellement comprise entre 50 et 250 mm. 20 Parmi les dispositions possibles des modules au sein de la virole (1), on peut citer des alignements desdits modules selon plusieurs cercles concentriques. De manière générale, quelle que soit la disposition particulière des modules au sein de la virole, ils sont répartis de façon à peu près symétrique par rapport au centre de la virole (1). De façon préférée, dans le réacteur à écoulement radial selon présente invention, les 25 modules (M) se répartissent régulièrement à l'intérieur de la virole selon un cercle. De façon préférée, le réacteur selon la présente invention présente un nombre de modules compris entre 3 et 12, et très préférentiellement compris entre 5 et 10. 30 De façon préférée, le réacteur selon la présente invention, présente pour chaque module (M), un rapport hauteur sur diamètre compris entre 3 et 30, et très préférentiellement compris entre 7 et 11. 3029429 4 Avantageusement ce réacteur peut être utilisé comme le réacteur de tête dans un procédé de reformage catalytique d'une coupe de type essence utilisant une série de trois ou quatre réacteurs à lit radiaux. Dans ce cas, on peut décrire l'écoulement de la charge et du catalyseur de la façon suivante : 5 - la charge entre dans la virole (1) au moyen de la tubulure d'entrée (8) située en partie supérieure du réacteur et occupe alors le volume interne (9) à partir duquel elle pénètre à l'intérieur de chaque module (M) en traversant la grille externe dudit module (2), - la charge traverse le lit catalytique contenu dans la zone annulaire (4) de chaque 10 module (M) et les effluents résultant de la réaction catalytique sont collectés dans le collecteur central (3) de chaque module, - les effluents de chaque module sont regroupés dans le volume inférieur (7) de la virole (1),et sont évacués du réacteur par la tubulure de sortie (12), - le catalyseur est admis dans chaque module par une tubulure d'admission (10) et 15 s'écoule gravitairement dans la zone annulaire (4) de chaque module, puis est évacué du module par une tubulure de sortie (11). Dans un procédé de reformage catalytique d'une coupe de type essence utilisant le réacteur selon la présente invention, la PPH (ratio du débit de charge sur le poids de catalyseur) est 20 supérieure à 50 11-1 , préférentiellement supérieure à 100 h-1. Dans un procédé de reformage catalytique d'une coupe de type essence utilisant le réacteur selon la présente invention, la charge peut avoir une teneur en paraffines qui peut aller jusqu'à 70 % poids, et même être une charge entièrement paraffinique. 25 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention consiste essentiellement à réaliser un ensemble de « modules » de lit radiaux de faibles tailles permettant d'atteindre des PPH plus élevées que dans des réacteurs 30 traditionnels, l'ensemble de ces modules étant enfermé dans une virole unique. La description qui suit est faite au moyen de la figure 1 a qui représente le réacteur en vue éclatée et sans module, de manière à bien visualiser la virole externe (1) et de la figure 1 b qui représente le réacteur en vue éclatée contenant les modules. Les figures 2a et 2b représentent un réacteur vue de dessus (figure 2a) et de côté (figure 35 2b). 3029429 5 La charge entre dans la virole (1) au moyen de la tubulure (8) située en partie supérieure. La charge occupe alors le volume interne (9) à partir duquel elle pénètre à l'intérieur de chaque module en traversant la grille externe dudit module (2). La charge traverse le lit catalytique contenu dans la zone annulaire (4) de chaque module et 5 les effluents résultant de la réaction catalytique sont collectés dans le collecteur central (3) de chaque module. Les effluents de chaque module sont regroupés dans le volume inférieur (7) de la virole (1). Le volume interne (9) et le volume inférieur (7) sont séparés par un plancher (13) qui fait étanchéité entre les deux volumes et qui permet également de supporter les modules (M). 10 Le catalyseur est admis dans chaque module par une tubulure d'admission (10). Il s'écoule gravitairement dans la zone annulaire (4) de chaque module, puis est évacué du module par une tubulure de sortie (11). Il y a au moins une tubulure d'admission (10) et une tubulure de sortie (11) par module. 15 Les modules ont la forme de cylindres délimités par une paroi externe (2) sensiblement verticale et une paroi interne (5) sensiblement verticale, l'ensemble des deux parois définissant une zone annulaire (4) contenant le catalyseur. Les parois externes (2) et internes (5) de chaque module sont perméables à la charge et aux effluents gaz, et sont 20 généralement constituées de grille Johnson ou autres moyens équivalents. Ces modules sont positionnés dans une seule et même virole (1) qui sert de volume pour l'alimentation en gaz de procédé par la partie supérieure (6) et l'évacuation des effluents. Les effluents de chaque zone catalytique sont alors collectés dans un volume commun (7) 25 situé à la partie inférieure de la virole (1). Les modules permettent de réaliser des lits catalytiques de très faibles épaisseurs, ce qui réduit considérablement les contraintes de perte de charge. Le rapport hauteur sur diamètre de chaque module est généralement compris entre 3 et 30, préférentiellement compris entre 7 et 11. 30 L'épaisseur de lit radial de chaque module est comprise entre 10 et 300 mm, généralement inférieure à 100 mm (1 mm = 10-3 m). La PPH (ratio du débit de charge sur le poids de catalyseur) est généralement supérieure à 501-1-1 préférentiellement supérieure à 100 h-1. 3029429 6 Les centres de chaque module sont positionnés avantageusement le long d'un cercle, comme cela est montré à titre d'exemple sur la figure 2a pour un réacteur contenant 6 modules identiques. Le nombre de modules est généralement compris entre 3 et 12, préférentiellement compris 5 entre 5 et 10. Les collecteurs centraux (3) de chaque module communiquent avec un même volume (7) situé à la partie inférieure de la virole (1) qui permet l'évacuation de l'effluent par la tubulure de sortie (12). 10 A la partie supérieure de la virole (1) se trouvent des tirants (6) permettant de maintenir les modules (M) posés sur la plaque (13). Cette plaque (13) est étanche pour éviter tout mélange de la charge contenue dans le volume supérieur (9) avec les effluents rassemblés dans le volume inférieur (7). 15 Ladite plaque (13) est soutenue par des piliers et poutres de renfort pour supporter le poids des modules (remplis de catalyseur). Chaque module (M) dispose d'une plaque de fixation à la plaque (13), cette fixation pouvant être réalisée par tout moyen connu de l'homme du métier. 20 Le réacteur permet également d'inspecter visuellement par un trou d'homme, le réacteur une fois assemblé, notamment pour les grilles externes, et grilles internes, au moins en partie. La mise en parallèle de plusieurs modules permet également d'envisager d'en condamner un en cas de défaillance, tout en continuant à faire fonctionner le système sur 25 les modules restants. Le système proposé permet donc l'atteinte des objectifs de PPH élevés pour optimiser les performances réactionnelles du procédé, tout en proposant un concept mécanique réaliste, modulable, flexible et de maintenance aisée. 30 35 3029429 7 EXEMPLES Les exemples qui suivent permettent d'illustrer le dimensionnement d'un réacteur selon l'invention destiné à être placé en tête d'une unité de reforming régénératif traitant une 5 charge dont le débit de naphta est de 150 t/h de charge. - L'exemple 1 représente le cas de référence non-conforme à l'invention, - L'exemple 2 représente les performances d'une unité selon l'invention munie d'un réacteur de tête avec les mêmes conditions opératoires et la même quantité totale de catalyseur que dans l'exemple 1. 10 - L'exemple 3 illustre les performances d'une unité ayant les mêmes caractéristiques que celle de l'exemple 2, mais traitant une charge plus sévère. Dans l'exemple 1, on traite une charge d'hydrocarbures dans quatre zones réactionnelles disposées en série dans quatre réacteurs. La répartition du catalyseur dans les réacteurs 15 est la suivante: 10%/20%/30%/40% poids par rapport au poids total de catalyseur. La quantité totale de catalyseur est de 75 tonnes. Le tableau 1 donne la composition de la charge d'hydrocarbures : - point initial d'ébullition 100 °C, point final d'ébullition 170°C : Composition Paraffines 50 charge (`)/0 poids) Oléfines 0 Naphtènes 40 Aromatiques 10 RON 45,7 Débit (t/h) 150 20 Tableau 1 Le catalyseur mis en oeuvre dans les réacteurs comprend un support de type alumine chlorée, du platine et est promu avec de l'étain. 25 La charge chauffée à 514°C est ainsi traitée successivement dans les quatre réacteurs avec un chauffage intermédiaire de l'effluent à 514°C avant son introduction dans la zone réactionnelle suivante. Les conditions opératoires dans les quatre zones réactionnelles sont données dans le tableau 2. Ces conditions ont été choisies pour produire un réformat récupéré en sortie du 3029429 8 quatrième réacteur dont l'indice de RON (Research Octane Number selon la terminologie anglo-saxonne) est égal à 102. Réacteur 1 Réacteur 2 Réacteur 3 Réacteur 4 Température en 514 514 514 514 entrée du réacteur ( °C) Pression (MPa) 0,69 0,65 0,60 0,55 Vitesse spatiale 20,0 10,0 6,7 5,0 massique (h-1) Rapport molaire 2,5 H2/charge (mol/mol) 5 Tableau 2 L'exemple 2 correspond à l'exemple 1 sauf que la charge d'hydrocarbures est traitée dans cinq réacteurs disposés en série avec une répartition du catalyseur suivante: 2%/10%/20%/30%/38% poids par rapport au poids total de catalyseur. Le petit réacteur 10 selon la présente invention est placé en tête. C'est le réacteur 1. La quantité totale de catalyseur est de 75 tonnes pour traiter un débit de charge d'hydrocarbures de 150 t/h. Comme dans l'exemple 1, la charge et l'effluent d'une zone réactionnelle sont chauffées à 514°C avant d'entrer dans la zone réactionnelle suivante. 15 Les conditions opératoires dans les zones réactionnelles des réacteurs sont regroupées dans le tableau 3 suivant: 20 25 3029429 9 Réacteur 1 Réacteur 2 Réacteur 3 Réacteur 4 Réacteur 5 Température 514 514 514 514 514 en entrée du réacteur (°C) Pression 0,74 0,69 0,65 0,60 0,55 (MPa) Vitesse 100,0 20,0 10,0 6,7 5,26 spatiale massique (h- 1) Rapport molaire H2/charge (mol/mol) 2,5 Tableau 3 5 Le dimensionnement du premier réacteur est réalisé conformément aux figures 1 et 2 avec les caractéristiques géométriques décrites dans le tableau 4. PPH (h-1) 100 Volume catalyseur (m3) 1,74 Nombre de modules (-) 6 Diamètre externe des modules (m) 0,5 Diamètre interne des modules (m) 0,3 Hauteur des zones réactionnelles annulaires (m) 2,3 Rapport hauteur / diamètre des zones (-) 11,6 réactionnelles annulaires Perte de charge des zones réactionnelles annulaires (mbars=10 -3 bar) 18 Tableau 4 10 3029429 10 En mettant en oeuvre le petit réacteur de tête selon l'invention, on limite la chute de température dans cette première zone réactionnelle, mais également dans les autres zones 2, 3,4 et 5. Etant donné que l'activité du catalyseur est fonction de la température moyenne dans le lit 5 catalytique, en limitant la chute de température on améliore par conséquent le rendement en composés en aromatiques, comme indiqué dans le tableau 5. Exemple 1 Exemple 2 (non-conforme à l'invention) (selon l'invention) Débit de charge / quantité total de 2 2 catalyseur (h-1) Rendement en réformât (C5+) 91,7 90,7 (`)/0 poids) Rendement en aromatiques 72,4 74,1 (`)/0 poids) RON du réformât 102,0 103,6 Tableau 5 10 Cette augmentation de température dans les lits catalytiques impacte grandement l'activité du catalyseur. Pour une même quantité de catalyseur comme illustré ci-dessous, le gain en production d'aromatique permet une amélioration en RON de 1,6 point. 15 L'exemple 3 permet d'illustrer l'apport de l'invention du point de vue de la sévérité de charge. Une charge est d'autant plus sévère que sa teneur en paraffines est élevée. Avec une approche identique à l'état antérieur, il est nécessaire d'augmenter la quantité de catalyseur ou la température en entrée réacteur pour maintenir le RON du reformat. L'exemple 3 vise à traiter une charge telle que décrite dans le tableau 6, charge beaucoup 20 plus sévère que celle de l'exemple 1. 25 3029429 11 Composition Paraffines 65 charge (`)/0 poids) Oléfines 0 Naphtènes 25 Aromatiques 10 RON 36,4 Débit (t/h) 150 Tableau 6 Avec les mêmes conditions opératoires que celles décrites dans les tableaux 3 et 4, le RON 5 du réformât est maintenu à 102 malgré une augmentation de 15 % pds de la quantité de paraffines dans la charge. Exemple 1 Exemple 3 (non-conforme à l'invention) (selon l'invention) PNA de la charge (`)/0 pds) 50/40/10 65/25/10 Débit de charge / quantité total de 2 2 catalyseur (h-1) RON du réformât 102,0 102,0 Tableau 7 10 15 20 REVENDICATIONS1) Réacteur à écoulement radial de la charge et à écoulement gravitaire du catalyseur constitué d'un ensemble de modules (M) sensiblement identiques enfermés dans une virole unique (1), possédant des moyens d'introduction du catalyseur (10) situés dans la partie supérieure, et des moyens d'évacuation dudit catalyseur (11) situés dans la partie inférieure (7), et un moyen d'introduction de la charge par une tubulure centrale supérieure (8) et un moyen d'évacuation des effluents par une tubulure centrale inférieure (12), chaque module ayant la forme d'un cylindre délimité par une paroi externe (2) sensiblement verticale, et une paroi interne (5) sensiblement verticale, l'ensemble des deux parois (2) et (5) définissant une zone annulaire (4) contenant le catalyseur, et les parois externes (2) et internes (5) de chaque module étant perméables à la charge gaz et aux effluents gaz, et étant constituées de grille Johnson ou équivalentes, lesdits modules étant positionnés verticalement de façon globalement symétrique par rapport au centre de la virole (1), et les sorties des effluents de chaque module se faisant par le collecteur central (3) de chaque module qui communique avec la partie inférieure (7) de la virole (1), le volume interne (9) et le volume inférieur (7) étant séparés par un plancher (13) qui fait étanchéité entre les deux volumes et permet également de supporter les modules (M), et l'épaisseur de lit radial de chaque module (M) étant comprise entre 10 et 400 mm, et préférentiellement comprise entre 50 et 250 mm. 2) Réacteur à écoulement radial selon la revendication 1, dans lequel les modules (M) se répartissent régulièrement à l'intérieur de la virole selon un cercle. 3) Réacteur à écoulement radial selon la revendication 1, dans lequel le nombre de modules est compris entre 3 et 12, et préférentiellement compris entre 5 et 10. 4) Réacteur à écoulement radial selon la revendication 1, dans lequel le rapport hauteur sur diamètre de chaque module est compris entre 3 et 30, préférentiellement compris entre 7 et 11. 3029429 13 5) Procédé de reformage catalytique d'une coupe de type essence utilisant le réacteur selon la revendication 1 dans lequel : - la charge entre dans la virole (1) au moyen de la tubulure d'entrée (8) située en partie supérieure du réacteur et occupe alors le volume interne (9) à partir duquel 5 elle pénètre à l'intérieur de chaque module (M) en traversant la grille externe dudit module (2), - la charge traverse le lit catalytique contenu dans la zone annulaire (4) de chaque module (M) et les effluents résultant de la réaction catalytique sont collectés dans le collecteur central (3) de chaque module, puis 10 - les effluents de chaque module sont regroupés dans le volume inférieur (7) de la virole (1), et sont évacués du réacteur par la tubulure de sortie (12), - le catalyseur est admis dans chaque module par une tubulure d'admission (10) et s'écoule gravitairement dans la zone annulaire (4) de chaque module, puis est évacué du module par une tubulure de sortie (11). 15 6) Procédé de reformage catalytique d'une coupe de type essence selon la revendication 5, dans lequel la PPH (ratio du débit de charge sur le poids de catalyseur) est supérieure à 50 h-1 , préférentiellement supérieure à 100 h-1. 20 7) Procédé de reformage catalytique d'une coupe de type essence selon la revendication 5, dans lequel la charge a une teneur en paraffines qui peut aller jusqu'à 70 % poids. 8) Procédé de reformage catalytique d'une coupe de type essence selon la 25 revendication 5, dans lequel la charge est entièrement paraffinique. 30 35