Brevet FR3063231A1 — publié le 20180831

ELEMENT D'INJECTION DE GAZ POUR UNITE DE CRAQUAGE CATALYTIQUE FLUIDE ET SYSTEME DE DISTRIBUTION DE GAZ EQUIPE DE CET ELEMENT D'INJECTION L'invention concerne l'injection de gaz, notamment l'injection d'air ou de vapeur dans une unité de craquage catalytique fluide ou FCC (de l'anglais « Fluid Catalytic Cracking »). L'invention concerne ainsi un élément d'injection de gaz et un système de distribution de gaz équipé d'un ou plusieurs éléments d'injection de gaz. Dans une unité FCC, les systèmes d'injection d'air (grille d'air, anneau d'air, « pipe grid » -grille- du régénérateur) ou d'injection de vapeur (notamment pour les opérations de strippage) sont généralement munis de buses d'injections permettant de contrôler la répartition du débit de gaz et la vitesse d'éjection. Ces éléments sont soumis à l'érosion par le catalyseur circulant dans l'unité FCC. Il arrive en effet que le catalyseur pénètre à l'intérieur des buses, soit par un phénomène dit de « veina contracta », par aspiration du catalyseur par effet venturi du jet de fluide sortant de la buse, soit suite à un pleurage du catalyseur à l'intérieur de la buse, par exemple dans le cas d'un fonctionnement à faible débit. Le catalyseur rentré dans la buse d'injection en est expulsé par le jet de fluide, provoquant une érosion de la buse. Afin de limiter ces phénomènes d'érosion, plusieurs solutions ont été envisagées. Une solution consiste à réaliser les buses entièrement en céramique. De telles buses sont néanmoins fragiles. Une autre solution consiste à réaliser une buse en métal recouverte d'une couche de matériau dur, par exemple de la stellite. De telles buses présentent une bonne résistance à l'érosion mais finissent par devoir être remplacées. Ainsi, la maintenance de ces systèmes de distribution nécessite encore le remplacement d'un nombre important de buses à chaque arrêt (environ 20% des buses, ce qui correspond à plus de 200 buses pour ce type d'unités). Le remplacement des buses est relativement long, les buses devant être dessoudées une à une. Aussi, régulièrement, le nombre de buses à remplacer est tel que le remplacement du système de distribution complet est anticipé afin de raccourcir les travaux de maintenance. 3063231 2 Il existe donc un besoin pour limiter et réduire la maintenance des systèmes d'injection de gaz soumis à une érosion. A cet effet, l'objet de l'invention concerne un élément d'injection de gaz pour un système de distribution de gaz à l'intérieur d'une 5 enceinte d'une unité de craquage catalytique fluide, ledit élément d'injection comprenant un passage le traversant de part en part, caractérisé en ce qu'il comprend : - un élément interne en matériau céramique dont une surface interne définit ledit passage traversant sur toute sa longueur, 10 - un fourreau métallique creux, à l'intérieur duquel est logée au moins une partie de l'élément interne, le fourreau et l'élément interne présentant respectivement une surface interne et une surface externe de formes complémentaires autorisant un déplacement de l'élément interne par rapport au fourreau 15 suivant une direction parallèle à un axe du passage traversant, lesdites surfaces interne du fourreau et externe de l'élément interne étant pourvues d'éléments de fixation coopérant pour fixer de manière réversible le fourreau et l'élément interne. Autrement dit, les éléments de fixation assurent une fixation non 20 définitive (démontable) entre le fourreau et l'élément interne. Ceci permet de changer aisément l'élément interne définissant le passage traversant, permettant de changer rapidement ce dernier en cas d'usure. Avantageusement, la surface externe de l'élément interne et la 25 surface interne du fourreau peuvent être des surfaces de révolution, notamment cylindriques, présentant un axe de révolution confondu ou parallèle à un axe du passage traversant. Ceci permet de faciliter la réalisation du fourreau et de l'élément interne et de simplifier la conception des éléments de fixation. 30 Les éléments de fixation peuvent alors comprendre des ergots ou des encoches coopérant respectivement avec des rainures ou nervures de forme adaptée pour permettre de déplacer le fourreau et l'élément interne entre un état de fixation et un état libéré suite à des mouvements de translation suivant une direction parallèle à l'axe de révolution et de rotation autour de l'axe de révolution. La fixation du fourreau et de l'élément interne et leur démontage peuvent ainsi être réalisés de manière très simple par des mouvements 3063231 3 successifs de translation et rotation, respectivement de rotation et translation. Notamment le passage d'un état à un autre peut être obtenu en déplacement uniquement l'élément interne par rapport au fourreau, par des mouvements successifs de translation et de rotation. 5 Dans sa conception la plus simple, ce type de fixation peut alors être similaire à une fixation de type baïonnette ou quart de tour. Le fourreau peut avantageusement être de forme cylindrique permettant de le réaliser de manière très simple. Avantageusement, l'élément interne peut présenter à une de ses 1 0 extrémités une collerette en appui dans l'état de fixation contre une extrémité du fourreau suivant la direction de l'axe du passage traversant. Cette collerette forme ainsi une butée pouvant améliorer le maintient des pièces. Avantageusement, elle s'étend perpendiculairement à l'axe du passage traversant, depuis la surface 15 externe du fourreau. Le fourreau est en matériau métallique, par exemple un métal ou un alliage, de préférence un acier inoxydable. Le matériau céramique de l'élément interne peut être choisi parmi le carbure de silicium SiC, le carbure de bore B4C, le nitrure de silicium 20 Si3N4, le nitrure d'aluminium AIN, le nitrure de bore BN, l'alumine A1203, ou des mélanges de ceux-ci. Avantageusement, le matériau céramique est du carbure de silicium SiC ou comprend du carbure de silicium SiC, de préférence en quantité majoritaire, par exemple en une teneur de 60% à 99,9% en 25 poids. Le carbure de silicium présente l'avantage de posséder de bonnes propriétés mécaniques et physiques pour un coût de fabrication raisonnable. En variante ou éventuellement en combinaison, le matériau céramique peut comprendre une matrice céramique choisie parmi le 30 carbure de silicium SiC, le carbure de bore B4C, le nitrure de silicium Si3N4, le nitrure d'aluminium AIN, le nitrure de bore BN, l'alumine A1203, ou des mélanges de ceux-ci, matrice céramique dans laquelle sont incorporées des fibres, par exemple des fibres de carbone ou des fibres céramiques, ou des mélanges de celles-ci. 35 Le matériau céramique est alors un matériau composite. Un tel matériau composite peut être avantageux pour les injecteurs soumis à des contraintes d'étirement et de cisaillement. Notamment, les fibres 3063231 4 peuvent être disposées de manière aléatoire (pseudo-isotrope) ou anisotropique. Une distribution anisotropique des fibres peut être avantageuse dans des zones particulières, par exemple les zones d'extrémité destinées à être assemblées avec un autre matériau ou avec 5 une autre pièce ou dans le cas de zones soumises à une contrainte d'étirement/cisaillement importante. Lorsqu'elles sont présentes, ces fibres peuvent représenter de 0,1 à 10% en poids du matériau composite. Les fibres de carbone peuvent être des fibres de carbone avec les 10 plans graphitiques orientés le long de la fibre. Les fibres céramiques peuvent être choisies parmi les fibres d'alumine cristalline, les fibres de mullite (3A1203, 2Si02), les fibres de carbure de silicium cristallin ou amorphe, des fibres de zircone, des fibres de silice-alumine, ou des mélanges de celles-ci. 15 De préférence, le matériau céramique composite comprend une matrice en carbure de silicium SiC, comprenant des fibres du type précité. De préférence, les fibres sont des fibres en carbure de silicium. Avantageusement et de manière non limitative, le matériau céramique peut être un matériau céramique fritté. Ceci peut notamment 20 faciliter la réalisation de l'élément interne. Dans ce cas, l'élément interne peut être formé par exemple par moulage ou par extrusion, suivi par une cuisson, dans des conditions opératoires conventionnelles adaptées au type de céramique produit. L'étape de cuisson est éventuellement précédée d'une étape de séchage. 25 Avantageusement, les parois internes de l'élément interne peuvent être lisses, autrement dit, elles peuvent présenter une faible rugosité de surface. De telles parois lisses peuvent permettre d'augmenter les vitesses en service à l'intérieur de l'élément interne. Une telle paroi lisse peut être obtenue lorsque le matériau 30 céramique est un matériau céramique fritté. Avantageusement et de façon non limitative, l'élément interne peut être obtenu à partir d'une poudre de frittage relativement fine, par exemple avec un diamètre moyen de grains inférieur ou égal à 500 nm, ce qui peut conduire à des surfaces relativement lisses. 35 Alternativement ou en complément, l'élément interne peut être obtenu en ajoutant au matériau principal, par exemple du SiC, un additif, choisi parmi le bore B, le silicium Si et le carbone C, ou leurs 3063231 5 mélanges, par exemple dans une proportion variant de 0,3% à 2% en poids. Dans le cas d'un matériau SiC obtenu par frittage de poudre, un tel ajout d'additif peut permettre de diminuer la porosité et par conséquent la rugosité. 5 Avantageusement et de façon non limitative, l'additif peut comprendre un mélange de bore B, de silicium Si et de carbone C. Il peut ainsi se former du SiC additionnel, lequel vient boucher les pores et diminuer ainsi la rugosité. Alternativement ou en complément, on pourra par exemple 10 prévoir une étape de dépôt additionnel de SiC par dépôt chimique en phase vapeur ou CVD (de l'anglais « Chemical Vapor Deposition »). L'invention concerne également un système de distribution de gaz à l'intérieur d'une enceinte d'une unité de craquage catalytique fluide, ledit système de distribution comprenant une paroi support percée d'au 15 moins un orifice et définissant au moins une partie d'une cavité, la paroi support ayant une première face destinée à être en contact avec un gaz contenu dans cette cavité, et une deuxième face, opposée à la première face. A titre d'exemple, cette paroi support peut être une grille, un 20 plateau percé ou définir un tube, notamment un tube courbé et fermé sur lui-même à la manière d'un tore ou encore définir plusieurs tubes s'entrecroisant (« pipe grid » ou rateau d'air). Selon l'invention, le système de distribution comprend au moins un élément d'injection tel que décrit précédemment, l'élément 25 d'injection étant solidarisé à la paroi support, au niveau de l'orifice, de sorte que du gaz issu de la cavité puisse circuler au travers de la paroi support vers la deuxième face de celle-ci via le passage de l'élément interne solidarisé au fourreau, seul le fourreau étant solidarisé à la paroi support. 30 On comprend ainsi que l'élément interne peut être facilement démonté, sans avoir à désolidariser le fourreau de la paroi support, dans la mesure où il est uniquement fixé au fourreau. Ceci permet de réduire le temps nécessaire au changement de l'élément interne. Avantageusement, le fourreau peut être solidarisé à la paroi 35 support par une extrémité, notamment de sorte à ne pas saillir de la deuxième face de ladite paroi support. 3063231 6 En variante ou en combinaison, le fourreau peut être solidarisé à la paroi support par une extrémité, notamment insérée dans l'orifice. Avantageusement, dans l'état de fixation, l'élément interne peut traverser ledit orifice et présenter à une de ses extrémités une collerette 5 en appui contre une extrémité du fourreau. Ceci peut faciliter la mise en place de l'élément interne. Une extrémité du fourreau insérée dans l'orifice peut alors être en appui contre la collerette dudit élément interne. L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins 10 annexés, non limitatifs, dans lesquels : - la figure 1 illustre une représentation schématique partielle en coupe d'une enceinte comprenant un système de distribution de gaz selon un mode de réalisation ; - la figure 2 illustre une représentation schématique partielle 15 en coupe d'un élément d'injection selon un mode de réalisation ; - la figure 3 représente une vue en coupe de la figure 2 selon la ligne A-A. La figure 1 représente partiellement une enceinte 100 faisant partie d'une unité de craquage catalytique fluide FCC non représentée 20 dans son intégralité. L'enceinte représentée est ici une enceinte d'un régénérateur, dans lequel s'effectue la combustion de coke déposé sur du catalyseur issu d'un réacteur de l'unité FCC (non représenté). Le catalyseur dans l'enceinte 100 forme un lit fluidisé 102. Un système de distribution 1 permet d'injecter de l'air dans ce lit 25 catalytique fluidisé 102, et donc de l'oxygène nécessaire à la combustion du coke. Ce système de distribution 1 comprend une paroi support, ici un plateau perforé 11, occupant la totalité d'une section de l'enceinte 100, et supportant le lit fluidisé 102. Ce plateau définit ainsi avec les parois 30 de fond de l'enceinte une cavité d'air 103. Un conduit 104 débouchant sur cette cavité 103 permet de fournir de l'air sous pression. Le plateau comprend ainsi une première face 105 en contact avec l'air de la cavité 103 et une deuxième face 106 en contact avec le lit fluidisé 102. 35 Le plateau perforé 11 est ici une plaque 1 la en acier. Il peut présenter un revêtement réfractaire 1 lb en matériau composite (représenté figure 2) du côté de la deuxième face 106. Ce revêtement 3063231 7 réfractaire est par exemple obtenu en faisant couler du béton sur un maillage en acier non représenté, par exemple à forme de nid d'abeille comportant une pluralité d'alvéoles hexagonales solidaires les unes des autres par leurs côtés (« hex mesh » en anglais), ou autre. 5 Sur chaque orifice 13 du plateau 11 est monté un élément d'injection de gaz 10, ici une buse d'injection d'air. Cet élément d'injection 10 est décrit en référence aux figures 2 et 3. Il comprend un passage 14 le traversant de part en part, d'axe X. l'élément d'injection 10 est ainsi solidarisé à la paroi support 11 de 10 sorte que du gaz issu de la cavité 103 puisse circuler au travers de la paroi support 11 vers la deuxième face 106 de celle-ci via le passage traversant 14. Cet élément d'injection 10 comprend en outre : - un élément interne 20 en matériau céramique, 15 - un fourreau métallique creux 30, à l'intérieur duquel est logée au moins une partie de l'élément interne 20. L'élément interne 20 comprend une surface interne 22, laquelle définit le passage traversant 14 sur toute sa longueur, et une surface externe 24. 20 Le fourreau 30 comprend une surface interne 32 et une surface externe 34. La surface interne 32 du fourreau 30 et la surface externe 24 de l'élément interne 20 présentent des formes complémentaires autorisant un déplacement de l'élément interne 20 par rapport au fourreau 30 25 suivant une direction parallèle à l'axe X du passage traversant. Ces surfaces interne 32 du fourreau et externe 24 de l'élément interne sont par ailleurs pourvues d'éléments de fixation coopérant pour fixer de manière réversible le fourreau 30 et l'élément interne 20. De manière générale, quel que soit le mode de réalisation et 30 notamment la forme de la paroi support 11, ces surfaces interne 32 du fourreau et externe 24 de l'élément interne sont conformées pour autoriser un déplacement relatif du fourreau 30 et de l'élément interne 20 entre un état de fixation du fourreau et de l'élément interne, dans lequel ces éléments sont solidaires, et un état libéré de ces éléments 35 dans lequel ils peuvent être séparés l'un de l'autre. De préférence, le passage d'un état à l'autre est obtenu par un déplacement de l'élément interne 20, le fourreau 30 restant fixe. 3063231 8 Dans l'exemple représenté, la surface externe 24 de l'élément interne 20 et la surface interne 32 du fourreau 30 sont des surfaces de révolution, ici cylindriques, présentant un axe de révolution confondu ou parallèle, ici confondu, avec l'axe X du passage traversant. 5 Dans cet exemple, on notera que l'élément interne 20 est cylindrique sur une grande partie de sa longueur (seule l'une de ses extrémités 21 présentant un rétrécissement), le fourreau 30 étant entièrement cylindrique. On notera également que le fourreau 30 entoure l'élément interne 10 20 sur une partie de sa longueur seulement. L'invention n'est toutefois pas limitée par une longueur et une forme particulière du fourreau 30 et de l'élément interne 20, pourvu qu'ils puissent être solidarisés! désolidarisés l'un de l'autre. Dans l'exemple représenté, les éléments de fixation solidarisant 15 l'élément interne 20 au fourreau 30 comprennent des ergots ou des encoches coopérant respectivement avec des rainures ou nervures de forme adaptée pour permettre de déplacer le fourreau 30 et l'élément interne 20 entre l'état de fixation et l'état libéré suite à des mouvements de translation suivant une direction parallèle à l'axe de révolution X et 20 de rotation autour de l'axe de révolution X. Plus précisément, dans cet exemple, le fourreau 30 présente des ergots 36 qui font saillie de sa surface interne 32 perpendiculairement à l'axe de révolution X, en direction de celui-ci (radialement). Ces ergots 36 coopèrent avec des rainures 26 ménagées dans la surface externe 24 25 l'élément interne 20. Ces rainures 26 ont par exemple une forme en L, dont une partie (visible figure 3) s'étend parallèlement à l'axe X depuis une extrémité 21 de l'élément interne 20, autorisant l'insertion de l'élément interne 20 à l'intérieur du fourreau 30 suivant une translation d'axe X, l'extrémité de la rainure 26 bifurquant à angle droit (Fig. 2) afin 30 de permettre par une rotation de l'élément interne 20 par rapport au fourreau 30 et son blocage. La figure 3 représente une vue en coupe transversale de l'élément interne et du fourreau, avant rotation de l'élément interne 20 alors que la figure 2 est une représentation après rotation. 35 L'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation particulier : les ergots 36 pourraient faire partie de l'élément interne 20 et les rainures 26 être réalisées sur le fourreau 30. On pourrait également 3063231 9 envisager de remplacer les ergots par des encoches coopérant non plus avec des rainures mais avec des nervures parallèles à l'axe X dont la longueur est choisie pour que la rotation des parties l'une par rapport à l'autre permette un appui de l'extrémité des nervures sur la périphérie 5 sans encoche de l'autre partie. L'invention n'est pas non plus limitée à un nombre particulier de nervures/rainures et encoches/ergots, ces différents modes de réalisation pouvant en outre être combinés. On notera que dans l'exemple représenté, une extrémité 33 du fourreau 30 est solidarisée à la paroi support 11 de sorte à ne pas saillir 10 de la deuxième face 106 dudit support. Dans l'exemple, cette extrémité 31 est insérée dans l'orifice 13 de la paroi support 11 et fixée à cette dernière par un cordon de soudure 35. La surface externe 34 du fourreau est ici soudée à la paroi support 11. 15 En outre, l'élément interne 20 présente une extrémité 23 pourvue d'une collerette 25, laquelle est ici en appui suivant la direction de l'axe X contre l'extrémité 33 du fourreau 30 dans l'état de fixation des deux éléments. Dans l'exemple, cette collerette 25 vient contre le revêtement 12 et affleure avec celui-ci (voir figure 2). L'invention n'est pas limitée à 20 cette réalisation particulière, la collerette pourrait être plus grande et prendre appui sur la deuxième face 106. L'élément interne pourrait également être dépourvu de collerette 25. On notera que, dans l'état de fixation, seul le fourreau 30 est solidarisé à la paroi support 11, de sorte que l'élément interne 20 peut 25 facilement être remplacé, par un mouvement adéquat. L'élément d'injection de gaz a été décrit en référence à un système de distribution d'air dans un régénérateur d'unité FCC. L'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation, le système de distribution de gaz pourrait également être un système de distribution de vapeur au niveau 30 d'une zone de strippage d'un réacteur d'une unité FCC, ou tout autre élément d'injection de gaz ou vapeur d'une unité FCC. REVENDICATIONS1. Elément d'injection de gaz (10) pour un système de distribution de gaz (1) à l'intérieur d'une enceinte d'une unité de craquage catalytique fluide, ledit élément d'injection comprenant un passage (14) le traversant de part en part, caractérisé en ce qu'il comprend : - un élément interne (20) en matériau céramique dont une surface interne (22) définit ledit passage traversant (14) sur toute sa longueur, - un fourreau métallique creux (30), à l'intérieur duquel est logée au moins une partie de l'élément interne (20), le fourreau (30) et l'élément interne (20) présentant respectivement une surface interne (32) et une surface externe (24) de formes complémentaires autorisant un déplacement de l'élément interne (20) par rapport au fourreau (30) suivant une direction parallèle à un axe (X) du passage traversant, lesdites surfaces interne (32) du fourreau et externe (24) de l'élément interne étant pourvues d'éléments de fixation (26, 36) coopérant pour fixer de manière réversible le fourreau et l'élément interne. 2. Elément d'injection de gaz (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface externe (24) de l'élément interne (20) et la surface interne (32) du fourreau (30) sont des surfaces de révolution, notamment cylindriques, présentant un axe de révolution confondu ou parallèle à l'axe (X) du passage traversant (14). 3. Elément d'injection de gaz (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments de fixation comprennent des ergots (36) ou des encoches coopérant respectivement avec des rainures (26) ou nervures de forme adaptée pour autoriser le déplacement du fourreau (30) et de l'élément interne (20) entre un état de fixation et un état libéré suite à des mouvements de translation suivant une direction parallèle à l'axe de révolution et de rotation autour de l'axe de révolution. 4. Elément d'injection de gaz (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le fourreau (30) est de forme cylindrique. 3063231 11 5. Elément d'injection de gaz (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément interne (20) présente à une de ses extrémités (23) une collerette (25) en appui, dans l'état de fixation, contre une extrémité (33) du fourreau (30) suivant la 5 direction de l'axe du passage traversant. 6. Elément d'injection de gaz (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau céramique est choisi parmi le carbure de silicium SiC, le carbure de bore B4C, le nitrure de silicium Si3N4, le nitrure d'aluminium AlN, le nitrure de bore 10 BN, l'alumine A1203, ou des mélanges de ceux-ci. 7. Elément d'injection de gaz (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau céramique comprend une matrice céramique choisie parmi le carbure de silicium SiC, le carbure de bore B4C, le nitrure de silicium Si3N4, le nitrure 15 d'aluminium AlN, le nitrure de bore BN, l'alumine A1203, ou des mélanges de ceux-ci, matrice céramique dans laquelle sont incorporées des fibres choisies parmi les fibres de carbone et les fibres céramiques, fibres céramiques par exemple choisies parmi les fibres d'alumine cristalline, les fibres de mullite, les fibres de carbure de silicium 20 cristallin ou amorphe, des fibres de zircone, des fibres de silice-alumine, ou des mélanges de celles-ci. 8. Système de distribution de gaz (1) à l'intérieur d'une enceinte (100) d'une unité de craquage catalytique fluide, ledit système de distribution comprenant une paroi support (11) percée d'au moins 25 un orifice (13) et définissant au moins une partie d'une cavité (103), la paroi support (11) ayant une première face (105) destinée à être en contact avec un gaz contenu dans cette cavité, et une deuxième face (106), opposée à la première face, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément d'injection 30 (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, l'élément d'injection (10) étant solidarisé à la paroi support (11), au niveau de l'orifice (13), de sorte que du gaz issu de la cavité (103) puisse circuler au travers de la paroi support (11) vers la deuxième face (106) de celle-ci via le passage (14) de l'élément interne (20) solidarisé au fourreau 35 (30), seul le fourreau (30) étant solidarisé à la paroi support (11). 9. Système de distribution de gaz (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une extrémité (33) du fourreau est solidarisée à la 3063231 12 paroi support (11) de sorte à ne pas saillir de la deuxième face (106) de ladite paroi support. 10. Système de distribution de gaz (1) selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'une extrémité (33) du fourreau est insérée 5 dans l'orifice (13).