Brevet FR3045406A1 — publié le 20170623

REACTEUR DE FAIBLE CAPACITE A LIT FIXE ET ECOULEMENT RADIAL DE LA CHARGE COMPOSE DE PLUSIEURS PARTIES RELIEES PAR DES BRIDES CONTEXTE DE L'INVENTION Un certain nombre de procédés de raffinage et pétrochimie font appel à des réacteurs qu'on appelle réacteurs radiaux. Parmi ces procédés on peut citer sans être limitatif le reformage catalytique des essences, l'oligocraquage des coupes oléfiniques, la déshydratation des alcools (éthanol, propanol, isobutanol), l'isomérisation squelettale d'oléfines, la métathèse pour la production de propylène, la déshydrogénation des paraffines. La présente invention concerne les lits radiaux fixes. Dans un réacteur à lit radial fixe, le lit catalytique a la forme d'un anneau cylindrique vertical limité du côté intérieur par une grille intérieure appelée grille du collecteur central, retenant le catalyseur, et du côté extérieur, soit par une autre grille du même type que la grille intérieure et appelée grille externe, soit par un dispositif consistant en un assemblage d'éléments de grille en forme de coquilles (appelés « scallops » dans la terminologie anglo saxonne). Cette géométrie de réacteur est celle qui est utilisée majoritairement dans l'industrie, mais elle nécessite un espace grille externe / collecteur central minimal afin que, lors des opérations de maintenance des réacteurs, les opérateurs puissent passer entre les grilles et ainsi les inspecter et les nettoyer (brisures de catalyseurs déposées entre les grilles). Les règles de dimensionnement actuelles préconisent deux critères qui peuvent s'avérer contradictoires pour les lits radiaux fixes : une épaisseur de lit catalytique minimale d'environ 400 mm de manière à réaliser la limite minimale pour la maintenance des grilles, et une perte de charge minimale à la traversée du lit comprise entre 30 et 180 mbars à l'intérieur du lit radial en vue du maintien d'une bonne distribution du gaz dans le lit catalytique. Or, pour les faibles capacités de réacteurs, donc les faibles volumes de catalyseur, 30 maintenir une perte de charge suffisante pour la bonne distribution de la charge sur toute la hauteur du réacteur implique de raccourcir le lit à iso VVH ou à iso volume de catalyseur. 3045406 2 Par ailleurs, en dessous d'une certaine capacité critique, ce raccourcissement est limité par l'épaisseur minimale de 400 mm mentionnée plus haut, ne permettant pas de maintenir le critère de perte de charge. Un besoin existe donc pour une solution technologique se libérant d'au moins un 5 des deux critères, afin de maintenir la possibilité de dimensionner des lits radiaux fixes pour les faibles capacités permettant de traiter des fluides avec une PPH (i.e. le rapport entre le débit massique de charge et le poids de catalyseur contenu dans le réacteur) élevée, par exemple supérieur à 50h-1, voire supérieure à 100h-1. 10 DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La figure 1 représente une vue schématique du réacteur à écoulement radial de la charge et à lit fixe de catalyseur, appelé dans la suite réacteur radial à lit fixe. EXAMEN DE L'ART ANTERIEUR 15 Dans l'art antérieur concernant les réacteurs à lit radiaux, on peut citer le brevet US 6,221,320 qui fait un récapitulatif assez complet des technologies conventionnelles. 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: 20 - 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 arrive par le volume externe défini entre la virole et la grille externe. 25 II traverse ensuite le lit catalytique de manière sensiblement horizontale depuis la grille externe jusqu'au collecteur central. Le cylindre, ou plus généralement la forme sensiblement cylindrique, défini par la grille interne sert de collecteur central pour évacuer les effluents gazeux de la zone réactionnelle annulaire comprise entre la grille externe et la grille interne. 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 réduire les pertes de charge essentiellement fonction de la vitesse et de l'épaisseur du lit. 3045406 3 Pour des raisons de distribution homogène sur toute la hauteur du lit catalytique, un tube perforé destiné à créer de la perte de charge peut être ajouté sur le collecteur central. Enfin, pour des raisons de construction, il est souvent nécessaire de laisser un 5 espace suffisant entre la grille interne et la grille externe. Au final, lorsqu'on cumule l'ensemble des contraintes, le volume minimal de catalyseur pouvant être enfermé dans la zone annulaire ne peut descendre en dessous d'une certaine valeur minimale. De manière générale, selon l'art antérieur, les PPH (c'est-à-dire le rapport entre le débit massique de charge et le poids de catalyseur dans le réacteur) 10 maximales sont de l'ordre de 20h-1. DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTION La présente invention décrit un réacteur de petite taille à lit fixe et à écoulement radial de la charge. Le réacteur selon l'invention permet notamment d'atteindre des 15 PPH (rapport entre le débit massique de charge et le poids de catalyseur dans le réacteur) supérieures à 50 h-1, voire supérieures à 100 h-1 sans perte de charge rédhibitoire. Par lit fixe on entend un lit de catalyseur renouvelé périodiquement, mais qui ne présente aucun mouvement durant un cycle d'opération. Entre deux périodes de 20 renouvellement, le lit peut être régénéré une ou plusieurs fois selon les procédés. Enfin par petite taille, on entend des réacteurs dont l'épaisseur du lit catalytique, c'est à dire la dimension radiale comprise entre la grille externe et le collecteur central, est comprise entre 100 et 400 mm. De façon plus précise, le réacteur selon la présente invention peut se définir comme 25 un réacteur en lit fixe et à écoulement radial de la charge, comprenant principalement un corps supérieur (III), un corps principal latéral (II), et un corps inférieur (I). Globalement ce réacteur présente une symétrie cylindrique autour de son axe central sensiblement vertical. 30 Le corps supérieur (III) est muni d'une conduite supérieure. La conduite supérieure (6) sert de conduite d'admission de la charge. Dans une variante du réacteur selon 3045406 4 l'invention, elle peut servir de conduite d'évacuation des effluents lorsque le sens d'écoulement de la charge est ascendant. Par simplification, la suite de la description est faite avec un sens d'écoulement globalement descendant de la charge. 5 Le corps principal (II) comprend une zone annulaire interne (Ila) qui est située entre un collecteur central (4) et la grille dite "externe" (3) s'étendant sensiblement selon l'axe de symétrie longitudinal du réacteur, ladite grille externe (3) étant placée parallèlement à la paroi latérale du réacteur, Par ailleurs, un certain espace est aménagé entre la paroi latérale et la grille 10 externe. La zone annulaire (Ila) s'étendant entre la grille externe (3) et le collecteur central (4) correspond à la zone catalytique du réacteur. Lorsque le réacteur est en fonctionnement, la charge traverse cette zone annulaire (Ila) de manière radiale, c'est-à-dire de manière sensiblement horizontale depuis la 15 grille externe (3) jusqu'au collecteur central (4). Le corps principal (II) est fermé à sa partie supérieure par une tôle pleine (5) qui ne laisse une communication avec le corps supérieur (III) que sur la portion correspondante à l'emplacement de la grille externe (3). Le corps inférieur (I) porte également une conduite (1) qui est la conduite 20 d'évacuation des effluents réactionnels. Cette conduite peut être la conduite d'admission de la charge lorsque le réacteur fonctionne en écoulement ascendant de la charge. La suite de la description est faite pour un sens globalement descendant de la charge. 25 Le réacteur comprend en outre une tôle pleine (2) qui ne laisse de communication entre le corps inférieur (I) et le corps principal (II) que par le collecteur central (4). La tôle pleine (2) ne se situe pas forcément à l'intersection du corps inférieur (I) et du corps principal (II), mais peut se situer soit à l'intérieur de du corps inférieur (I), soit à l'intérieur du corps principal (II). Cette tôle (2) ferme le passage du gaz en bas 30 du corps principal à l'extérieur de la grille extérieur (3) et en fond du lit catalytique, obligeant le gaz à passer à travers le collecteur central (4) avant d'atteindre le corps inférieur (I) où il est évacué par la tubulure de sortie (1). 3045406 5 Le corps supérieur (III) est connecté par des brides à l'ensemble formé par le corps principal (11) et le corps inférieur (I) . Il est à noter que la tôle pleine supérieure (5) ne se situe pas forcément au niveau des brides (B3 et B4). Si la tôle pleine se situe au niveau des brides, des liaisons 5 entre les brides et la tôle pleine peuvent être prévues pour faciliter l'installation. Si la tôle pleine ne se situe pas au niveau des brides, elle est alors fixée à la paroi par soudure à un anneau externe (non représenté sur la figure 1), en prenant bien entendu en compte le fait que des espaces doivent être ménagés au-dessus de la zone externe pour laisser passer le gaz vers la grille externe (3). 10 Dans une variante de l'invention qui ne sera pas développée plus avant, le corps principal (11) et le corps inférieur (I) peuvent être également assemblés par des brides. Le raccordement par des brides se fait préférentiellement par boulonnage. Tout autre moyen de fixation connu de l'homme du métier est également envisageable et 15 reste dans le cadre de la présente invention. On ne décrit pas davantage les brides, dont le dimensionnement est bien connu de l'homme de l'art. On reste dans le cadre de l'invention si la charge traverse le lit radial en sens opposé, c'est-à-dire depuis le centre du réacteur vers la périphérie. Dans ce cas, le 20 collecteur central (4) joue le rôle de grille de distribution, et la grille externe (3) joue le rôle de collecteur périphérique des effluents. On reste également dans le cadre de l'invention si la charge est apportée par la conduite inférieure (1), puis évacuée par la conduite supérieure (6). La présente invention porte également sur tout procédé utilisant le réacteur en lit 25 fixe radial précédemment décrit. Dans le cadre d'un procédé en lit fixe, par exemple un procédé de déshydratation des alcools, l'écoulement de la charge peut se décrire de la façon suivante : - la charge entre dans le réacteur selon l'invention au moyen de la conduite 30 supérieure (6) et pénètre dans la zone annulaire (lia) située à l'intérieur du corps principal (11) en traversant la grille externe (3), puis le collecteur central (4), 3045406 6 - la charge traverse le lit catalytique contenu dans la zone annulaire (lia) de manière sensiblement radiale, et les effluents résultant de la réaction catalytique sont collectés soit dans le collecteur central (4), puis - les effluents sont évacués dudit réacteur par la conduite inférieure (1). 5 Enfin la présente invention porte également sur une méthode de construction du réacteur selon l'invention, dans laquelle: a) on fixe un anneau de supportage (2) au corps inférieur (I), b) on attache un collecteur central et une grille externe (3) à l'anneau de supportage 10 (2), c) on introduit le catalyseur dans une zone annulaire (lia) définie entre le collecteur central (4) et la grille externe (3), d) on fixe une tôle pleine (5) à la partie supérieure du corps principal (11) de manière à fermer la zone annulaire (lia) et le collecteur central (4) dans leur extrémité 15 supérieure, e) on fixe le corps supérieur (111) au corps principal (11) par l'assemblage de brides (B4) et (B3) portés par le corps supérieur (111) et le corps principal (11) respectivement. Grâce au montage par brides, on peut très facilement retirer la grille externe (3) ou 20 les éléments de grille externe (lorsque cette dernière est constituée de plusieurs éléments), et le collecteur central (4) et ainsi les inspecter, les changer et/ou les nettoyer. Le temps nécessaire à ces opérations est donc minimisé par rapport aux configurations actuelles de réacteur, qui ne permettent pas de faire les opérations de maintenance aisément pour les faibles capacités de réacteur. 25 La division du réacteur en deux parties, et l'assemblage de ces deux parties par brides selon l'invention représente la solution la plus efficace au regard de l'aspect maintenance. Elle permet la réalisation de réacteurs radiaux à lit fixe de catalyseur dont les dimensions sont plus petites que celles des réacteurs de l'art antérieur, et qui peuvent donc fonctionner avec des PPH nettement plus élevées. 30 3045406 7 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La description qui suit est faite en référence à la figure 1. Le réacteur comporte deux parties : -Une zone inférieure (I) et une zone latérale (II) formant un sous ensemble, 5 -Une zone supérieure (III) La zone inférieure (I) et la zone latérale (II) sont d'un seul tenant. Le terme zone est synonyme de corps précédemment utilisé. En particulier le corps latéral (II) correspond exactement à la zone latérale (II). La zone inférieure (I), généralement de forme hémisphérique, comprend une 10 conduite de sortie des effluents (1) située dans ladite zone inférieure et se trouve fermée à sa partie supérieure par une tôle pleine (2), dit également anneau de supportage (2), qui laisse uniquement une communication avec le collecteur central (4) et ferme la grille externe (3) et la zone annulaire (Ila). L'anneau de supportage (2) peut être fixé à l'hémisphère inférieur (I). Dans une 15 autre variante de l'invention, il peut être fixé à la zone latérale (II). La grille externe (3) et le collecteur central (4) sont reliés mécaniquement à l'anneau de supportage (2) par tout moyen connu de l'homme du métier. Dans certains cas, ils peuvent d'ailleurs être simplement posés sur l'anneau de supportage (2). 20 La grille externe (3), disposée parallèlement à la paroi latérale de la zone (II) permet de distribuer la charge sur toute la hauteur de ladite zone latérale (II) afin qu'elle soit mise en contact avec l'ensemble du catalyseur contenu dans la zone annulaire (Ila). La charge traverse la zone catalytique annulaire de manière sensiblement radiale, 25 et les effluents sont récupérés dans le collecteur central (4). La partie supérieure de la zone centrale (II) est fermée par une tôle pleine (5) en général boulonnée sur le collecteur central (4) et /ou sur la grille externe (3). Tout autre moyen de fixation est également utilisable dans le cadre de l'invention. Cette zone latérale (II) est munie d'une bride (B3) soudée tout au long du périmètre 30 sensiblement circulaire de ladite zone latérale (II). 3045406 8 La zone supérieure (III) est également équipée d'une bride (B4). L'assemblage des brides (B3) et (B4) est classiquement réalisé par boulonnage ou par tout autre moyen connu de l'homme du métier. La zone supérieure (III) est munie d'une conduite d'admission de la charge (6). 5 Etant donné la tôle pleine (5), la charge introduite dans le corps hémisphérique supérieur par la conduite (6) passe dans la zone comprise entre la paroi de la zone latérale (11) et la grille externe (3), puis traverse le lit contenu dans la zone annulaire (lia) de façon sensiblement radiale, après passage à travers la grille externe (3). Les effluents réactionnels sont collectés dans le collecteur central (4) et passent 10 dans l'hémisphère inférieur (I), d'où ils sont évacués par la conduite (1). Un tube perforé (non représentée sur la figure 1) est souvent accolé au collecteur central (4), dans le but d'améliorer la distribution du gaz sur toute la hauteur du réacteur en générant une perte de charge additionnelle. La grille externe (3) peut éventuellement être constituée d'éléments de coquilles 15 formant un ensemble continu (ces éléments sont appels « scallops » dans la terminologie anglo-saxonne). La présente invention concerne également une méthode de montage du réacteur selon l'invention qui peut se décrire de la façon suivante : 20 a) l'anneau de supportage (2) est fixé au corps hémisphérique inférieur (I) par tout moyen connu de l'homme du métier, b) les deux internes, collecteur central (4) et grille externe (3), sont attachés à l'anneau de supportage (2) également par tout moyen connu de l'homme du métier, par exemple par soudure ou boulonnage, 25 c) le catalyseur est introduit dans la zone annulaire (lia), d) la tôle pleine (5) est fixée à la partie supérieure de la zone latérale (11) par l'intermédiaire de liaisons mécaniques avec la grille externe (3) et le collecteur central (4), et ferme la zone annulaire (lia) et le collecteur central (4) dans leur extrémité supérieure, 30 e) le corps hémisphérique supérieur (111) est fixé à l'ensemble hémisphère inférieur (I) zone latérale (11) par l'assemblage des brides (B3) et (B4). 3045406 9 EXEMPLE SELON L'ART ANTERIEUR ET SELON L'INVENTION L'objectif est de traiter une charge de 20 t/h, de densité 5 kg.m-3 et de viscosité 0,02 mPa.s, dans un réacteur comprenant comprend un lit catalytique ayant la forme d'un anneau cylindrique vertical limité du côté intérieur par une grille cylindrique 5 intérieure formant le collecteur central (4), et du côté extérieur, par une grille cylindrique (3) du même type que la grille intérieure. Après la traversée du lit catalytique, les effluents réactionnels sont collectés dans le collecteur central (4). Le catalyseur se présente sous la forme de grain de diamètre 2 mm et avec un taux 10 de vide entre les grains égal à 40%. La PPH (rapport entre le débit massique de charge et la quantité de catalyseur dans le réacteur) est fixée à 75 h-1. Deux dimensionnements des internes sont proposés dans le Tableau 1, l'un selon l'art antérieur et l'autre selon la présente invention. La différence principale entre les deux dimensionnements se situe dans l'épaisseur 15 du lit catalytique (supérieure ou égale à 400 mm selon l'art antérieur). Le volume du catalyseur de 0,4 m3 est le même dans les deux situations. Les conditions opératoires sont les suivantes : -Température entrée du réacteur : 520°C -Température moyenne dans le réacteur : 467°C 20 -Pression 0,7 MPa (MPa est l'abréviation de méga pascal soit 106Pa) La charge est définie par les caractéristiques suivantes : point initial d'ébullition 80°C, point final d'ébullition 180°C : La répartition de la charge en familles chimiques est donnée ci-dessous : 25 Composition Paraffines 50 charge (% poids) Oléfines 0 Naphtènes 40 Aromatiques 10 RON 45,7 3045406 10 Les éléments principaux du dimensionnement sont rassemblés dans le tableau 1 ci-dessous. Dans les conditions de fonctionnement du procédé, il apparait clairement que le dimensionnement selon l'art antérieur n'est pas adapté, ceci pour deux raisons : 5 - une perte de charge bien trop importante, avec des conséquences multiples, en particulier au niveau des coûts opératoires du procédé ; - une inspection difficile du collecteur central vu son faible diamètre. Art Réacteur Antérieur bridé Diamètre (m) 0,3 0,5 CC Diamètre (m) 1,1 1,1 GE Epaisseur (m) 0,4 0,3 Hauteur (m) 0,45 0,53 vitesse (m/s) 0,71 0,61 entrée vitesse (m/s) 2,59 1,33 sortie DP (mBars) 322 111 Tableau 1 10 Dans le tableau 1, les abréviations suivantes sont utilisées : CC : collecteur central (4). GE :grille externe (3). L'épaisseur est la dimension radiale prise entre la grille externe (3) et le collecteur 15 central (4). La vitesse d'entrée est prise au niveau de la grille externe (3). La vitesse de sortie est prise au niveau du collecteur central (4). 3045406 11 DP : perte de charge à la traversée du lit catalytique dans sa dimension radiale, c'est-à-dire depuis la grille externe (3) jusqu'au collecteur central (4). REVENDICATIONS1) Réacteur en lit fixe à écoulement radial de la charge comprenant un corps supérieur (III), un corps principal (11) et un corps inférieur (I), le corps supérieur (III), étant muni d'une conduite supérieure (6), le corps principal (11) comprenant une zone annulaire (lia) ayant une distance radiale comprise entre 100 et 400 mm, située entre un collecteur central (4) et une grille extérieure (3), ladite grille extérieure (3) étant placée à une certaine distance et parallèlement à la paroi latérale du corps principal (11), et le collecteur central (4) s'étendant sensiblement selon l'axe de symétrie longitudinal du réacteur, ledit corps principal (11) étant fermé à sa partie supérieure par une tôle pleine (5) qui ne laisse une communication avec le corps supérieur (111) que sur une portion correspondante à l'emplacement de la grille externe (3), et le corps inférieur (I) comprenant une conduite inférieure (1) et étant fermé à sa partie supérieure par une tôle pleine (2) qui ne laisse de communication avec la zone latérale (11) qu'au niveau du collecteur central (4), le réacteur étant caractérisé en ce que le corps supérieur (111) est connecté par des brides (B3 ,B4) au corps principal (11). 2) Réacteur en lit fixe et à écoulement radial de la charge selon la revendication 1, dans lequel la grille extérieure (3) est constituée d'un assemblage d'éléments de grille en forme de coquilles s'étendant longitudinalement sur toute la hauteur de la zone annulaire (lia). 3) Procédé de traitement d'une charge dans un réacteur selon les revendication 1 ou 2, dans lequel : - la charge entre dans le réacteur au moyen de la conduite supérieure (6) ou inférieure (1) du réacteur et pénètre dans la zone annulaire (lia) située à l'intérieur du corps principal (11) en traversant la grille externe (3), puis le collecteur central (4), 3045406 13 - la charge traverse le lit catalytique contenu dans la zone annulaire (lia) de manière sensiblement radiale, et les effluents résultant de la réaction catalytique sont collectés soit dans le collecteur central (4), - les effluents sont évacués dudit réacteur par la conduite inférieure (1). 5 4) Procédé selon la revendication 3 choisi parmi le reformage catalytique des essences, l'isomérisation squelettale des oléfines, la métathèse pour la production de propylène, l'oligocraquage, la déshydratation des alcools. 10 5) Méthode de construction du réacteur selon les revendications 1 ou 2, dans laquelle : a) on fixe un anneau de supportage (2) au corps inférieur (I), b) on attache un collecteur central et une grille externe (3) à l'anneau de supportage (2) 15 c) on introduit le catalyseur dans une zone annulaire (lia) définie entre le collecteur central (4) et la grille externe (3), d) on fixe une tôle pleine (5) à la partie supérieure du corps principal (11) de manière à fermer la zone annulaire (lia) et le collecteur central (4) dans leur extrémité supérieure, 20 e) le corps hémisphérique supérieur (111) est fixé à l'ensemble hémisphère inférieur (I) zone latérale (11) par l'assemblage des brides (B3) et (B4). 25