Brevet FR3128134A1 — publié le 20230421

L’invention concerne un réacteur tubulaire (1) qui comprend un lit de poudre catalytique confiné dans un espace annulaire (30), un insert creux (20) comprenant une chambre de distribution (40) et une chambre de collecte (50), une deuxième paroi (21) comprenant au moins une ouverture distributrice (42) et au moins une ouverture collectrice, caractérisé en ce que la deuxième paroi (21) de l’insert creux (20) comporte, sur au moins une première portion longitudinale de l’insert (20) définie selon l’axe longitudinal (XX’), au moins une ouverture distributrice décalée (42) et au moins une ouverture collectrice décalée (52), toute ouverture distributrice décalée (42) étant contenue dans un plan transversal à l’axe longitudinal (XX’) différent de tout plan transversal à l’axe longitudinal (XX’) contenant une ouverture collectrice décalée (52) de sorte que la direction du flux de gaz distribué et/ou admis entre une ouverture collectrice décalée (52) et une ouverture distributrice décalée (42) présente une composante axiale. Figure pour l’abrégé : Figure 1 Réacteur tubulaire à lit fixe avec ouvertures collectrices et distributrices décalées La présente invention se rapporte au domaine des réacteurs-échangeurs. En particulier, la présente invention se rapporte au domaine des réacteurs-échangeurs catalytiques mettant en œuvre un catalyseur solide, et notamment un catalyseur solide sous forme de poudre. La présente invention propose à cet égard un réacteur-échangeur catalytique susceptible de mettre en œuvre des procédés de synthèses organiques exothermiques. Ces composés organiques peuvent notamment comprendre des carburants de synthèse et du combustible. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les réacteurs catalytiques utilisant des catalyseurs solides sont largement mis en œuvre pour la synthèse de composés organiques tels que les carburants de synthèse ou les combustibles parmi lesquels on peut citer les substituts de gaz naturel, le diméthyléther ou encore le méthanol. Ces composés sont notamment obtenus par réaction d’hydrogène et d’oxyde de carbone en présence d’un catalyseur solide approprié. Toutefois, les réactions chimiques relatives à la synthèse de ces composés sont très exothermiques, et dégagent par voie de conséquence une quantité de chaleur susceptible de dégrader le catalyseur solide. Il résulte de cette dégradation une réduction du taux de conversion des espèces chimiques en présence, et une diminution de la sélectivité des réactions mises en jeu. Par ailleurs, le catalyseur solide se désactive sous l’effet de la chaleur. Ainsi, en pratique, ces réactions peuvent être mises en œuvre dans un réacteur-échangeur du type tube-calandre qui comprend un canal réactif pourvu du catalyseur solide et refroidi continument par un fluide caloporteur. Dans ce type de réacteur, les gaz réactifs circulent axialement dans les tubes qui contiennent un catalyseur, par exemple en poudre. Néanmoins, en dépit de la mise en œuvre d’un refroidissement par le fluide caloporteur, ce type de réacteur reste sensible à la chaleur dégagée par les réactions se produisant dans le réacteur. En particulier, un point chaud, généralement observé à proximité de l’entrée des gaz réactifs, dégrade le catalyseur solide, et réduit donc les performances du réacteur-échangeur. Afin de limiter ces effets, les solutions suivantes ont été proposées : - une réduction de la densité volumique de catalyseur, notamment en déposant ce dernier sur les parois du tube ou d’un insert ou en le diluant dans un milieu non réactif ; - une dilution des gaz réactifs avec une partie des produits générés pour diminuer l’activité de la réaction ; - réaliser plusieurs points d’injection d’un ou de plusieurs réactifs pour répartir la zone du point chaud sur une plus grande surface ; - une réduction des dimensions des tubes ou en y plaçant des pièces conductrices de la chaleur afin d’améliorer le refroidissement des tubes. Ces solutions ne sont toutefois pas satisfaisantes. En effet, quand bien même elles permettent de réduire les effets du point chaud, elles sont complexes à mettre en œuvre. Par ailleurs, leur mise en œuvre diminue la flexibilité d’utilisation du réacteur-échangeur, et rend ce dernier peu compact. Afin de pallier ces problèmes, il alors été proposé un agencement permettant de répartir la distribution des réactifs sur toute la longueur des tubes. Cette solution permet alors d’obtenir une meilleure homogénéité de la température sur toute la longueur du réacteur. A cet égard, les documents US 3,758,279 A, US 4,374,094 A, EP 0 560 157 A1 et US 2,997,374 A proposent des réacteurs-échangeurs mettant en œuvre une distribution des réactifs à partir d’un espace de distribution annulaire. Notamment, ces réacteurs-échangeurs, de forme généralement cylindrique, comprennent, agencés de manière coaxiale et à partir de l’extérieur du réacteur, un tube, l’espace de distribution annulaire, une charge de catalyseur et un espace de collecte. Cet agencement n’est toutefois pas satisfaisant. En effet, la présence de l’espace de distribution annulaire disposé autour de la charge de catalyseur, limite les transferts de chaleur du catalyseur vers le tube rendant peu efficace les systèmes de refroidissement généralement mis en œuvre. Il reste néanmoins possible d’insérer des éléments conducteurs de chaleur dans le réacteur. Une telle solution reste toutefois incompatible avec les réacteurs comprenant des tubes de faible diamètre. Inversement, le document CN 103990420 A propose de mettre en œuvre un insert pourvu d’une chambre de distribution et d’une chambre de collecte, disposée au centre d’un tube et définissant avec ce dernier une espace annulaire logeant le catalyseur solide. Toutefois, l’agencement proposé dans ce document ne permet pas de répartir de manière homogène au sein de l’espace annulaire. Plus particulièrement, cet agencement ne permet pas d’obtenir un profil de température optimal au sein du catalyseur solide. Par ailleurs, on connait de la demande de brevet européen EP 3 827 895 A1 de la Demanderesse un principe de distribution étagée de gaz dans un réacteur-échangeur. Le réacteur comporte un catalyseur prévu dans un espace annulaire situé entre un tube creux et un insert creux pourvu de chambres de distribution et de collecte. Des ouvertures distributrices et collectrices sont prévues pour permettre la distribution et la collecte des gaz. La réalisation de telles ouvertures n’est pas optimale et il subsiste un besoin pour concevoir un principe alternatif de réalisation de celles-ci. Un but de la présente invention est de proposer un réacteur tubulaire à lit fixe permettant une distribution plus uniforme des réactifs au sein du catalyseur solide. Un autre but de la présente invention est également de proposer un réacteur tubulaire à lit fixe permettant une répartition plus homogène du flux de chaleur généré au sein du catalyseur solide. Un autre but de la présente invention est également de proposer un réacteur tubulaire permettant une meilleure gestion du refroidissement. Un autre but de la présente invention est également de proposer un réacteur tubulaire pour lequel la fiabilité et la durée de vie sont améliorées au regard des réacteurs connus de l’état de la technique. Un autre but de la présente invention est de proposer un réacteur tubulaire permettant d’optimiser (augmenter) le temps de passage des gaz dans le lit fixe de poudre catalytique. L’invention vise à remédier au moins partiellement aux besoins et buts mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l’art antérieur. L’invention a ainsi pour objet, selon l’un de ses aspects, un réacteur tubulaire à lit fixe qui s’étend, selon un axe longitudinal, entre une première extrémité et une deuxième extrémité, le réacteur comprenant un lit de poudre catalytique confiné dans un espace annulaire délimité par une première paroi d’un tube creux et une deuxième paroi d’un insert creux, disposé dans le tube creux et de manière coaxiale à ce dernier, l’insert creux comprenant au moins une chambre de distribution et au moins une chambre de collecte, séparées l’une de l’autre par une paroi séparatrice, et comprenant, respectivement, une ouverture d’admission de gaz au niveau de la première extrémité et une ouverture d’évacuation de gaz au niveau de la deuxième extrémité, la deuxième paroi comprenant au moins une ouverture distributrice et au moins une ouverture collectrice, l’ouverture distributrice permettant la distribution d’un gaz susceptible d’être admis par l’ouverture d’admission de la chambre de distribution vers l’espace annulaire, et l’ouverture collectrice permettant la collecte du gaz distribué dans l’espace annulaire par la chambre de collecte, caractérisé en ce que la deuxième paroi de l’insert creux comporte, sur au moins une première portion longitudinale de l’insert définie selon l’axe longitudinal, au moins une ouverture distributrice décalée et au moins une ouverture collectrice décalée, toute ouverture distributrice décalée étant contenue dans un plan transversal à l’axe longitudinal différent de tout plan transversal à l’axe longitudinal contenant une ouverture collectrice décalée de sorte que la direction du flux de gaz distribué et/ou admis entre une ouverture collectrice décalée et une ouverture distributrice décalée présente une composante axiale selon l’axe longitudinal. Le réacteur selon l’invention peut en outre comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles. Il est entendu que dans la mesure où le réacteur selon la présente invention est tubulaire, le tube creux et l’insert creux sont nécessairement de forme cylindrique, mais pas nécessairement cylindrique de révolution. Par ailleurs, dès lors que l’insert creux est disposé dans le tube creux et de manière coaxiale à ce dernier, l’espace annulaire peut présenter une symétrie de révolution. Ainsi, le réacteur selon la présente invention permet de distribuer les gaz réactifs, du fait de l’étendue de l’ouverture de distribution, de manière relativement homogène dans l’espace annulaire. Ces derniers réagissent alors avec le lit de poudre catalytique sur toute la section couverte par l’ouverture de distribution. Les produits issus de la réaction des gaz, ainsi que les gaz n’ayant pas réagi sont collectés au niveau de l’ouverture de collecte et évacués du réacteur par l’ouverture d’évacuation opposée à l’ouverture d’admission. Cet agencement pour lequel l’admission des gaz se fait par une extrémité et l’évacuation par l’autre extrémité permet une meilleure répartition des espèces réactives (les gaz) dans l’espace annulaire, et par voie de conséquence une meilleure répartition de la chaleur susceptible d’être dégagée lors de la réaction des espèces réactives dans l’espace annulaire. Cette meilleure répartition de la chaleur dégagée permet de considérer un système de refroidissement moins puissant et donc de plus petites dimensions. L’agencement selon la présente invention permet donc d’envisager un réacteur plus compact, et d’une fiabilité améliorée au regard des réacteurs tubulaires connus de l’état de la technique. L’au moins une chambre de distribution peut être obturée au niveau de la deuxième extrémité, et l’au moins une chambre de collecte peut être obturée au niveau de la première extrémité. Le réacteur peut comprendre au niveau de la première extrémité et au niveau de la deuxième extrémité, respectivement, un espace distributeur et un espace collecteur entre lesquels l’insert est disposé. La poudre catalytique peut être retenue dans l’espace annulaire par un joint en matière fibreuse au niveau de chacune des extrémités de l’espace annulaire. Le joint en matière fibreuse peut être maintenu en compression contre la poudre catalytique par un ressort, le ressort étant en butée contre une plaque de maintien liée mécaniquement au tube. Le joint en matière fibreuse en combinaison avec le ou les ressorts permet de mieux compacter la poudre catalytique et de prévenir l’attrition de cette dernière lors de la manipulation ou le transport du réacteur. La paroi externe peut être dépourvue d’ouverture sur une première section et une deuxième section qui s’étendent à partir, respectivement, de la première extrémité et de la deuxième extrémité, la première section et la deuxième section étant en recouvrement avec le lit de poudre sur une hauteur H, la hauteur H étant comprise entre 0,5 fois et 10 fois, avantageusement comprise entre 1 fois et 2 fois, la distance séparant une ouverture de distribution d’une ouverture de collecte immédiatement adjacente, et mesurée le long de la surface externe de la paroi externe. Ainsi, un tel agencement permet d’imposer un temps de passage aux gaz réactifs susceptibles de pénétrer dans l’espace annulaire par le joint fibreux. L’insert creux peut être muni de moyens de centrage maintenant ce dernier en position coaxiale avec le tube creux, de manière avantageuse, les moyens de centrage comprennent des bossages formés sur la deuxième paroi. Ces moyens de centrage permettent un montage plus facile du réacteur. La surface d’une section de la chambre de distribution selon un plan de coupe transversal à l’axe longitudinal peut diminuer de la première extrémité vers la deuxième extrémité, avantageusement, ladite surface est nulle au niveau de la deuxième extrémité. Les méthodes de fabrication additive, et notamment les techniques de fabrication 3D permettent de réaliser ces structures complexes sous forme d’une pièce monobloc. La surface d’une section de la chambre de collecte selon un plan de coupe transversal à l’axe longitudinal peut augmenter de la première extrémité vers la deuxième extrémité, avantageusement, ladite surface est nulle au niveau de la première extrémité. L’ouverture de collecte et l’ouverture de distribution peuvent présenter une largeur comprise entre 1/100 et 1/2, avantageusement comprise entre 1/20 et 1/4, du diamètre du tube creux. L’ouverture de collecte et l’ouverture de distribution peuvent comprendre chacune un filtre prévenant le passage de poudre catalytique dans l’une ou l’autre des chambres de collecte ou de distribution. Le filtre peut comprendre une pluralité de plans de fibres inclinées. L’insert creux peut former une pièce monobloc. Par ailleurs, la deuxième paroi de l’insert creux peut comporter, sur au moins une deuxième portion longitudinale de l’insert définie selon l’axe longitudinal, au moins une ouverture distributrice alignée et au moins une ouverture collectrice alignée, toute ouverture distributrice alignée étant contenue dans un plan transversal à l’axe longitudinal contenant également au moins une ouverture collectrice alignée de sorte que la direction du flux de gaz distribué et/ou admis entre une ouverture collectrice alignée et une ouverture distributrice alignée présente une composante axiale sensiblement nulle selon l’axe longitudinal. Une pluralité d’ouvertures collectrices alignées et/ou une pluralité d’ouvertures distributrices alignées peuvent être alignées axialement selon l’axe longitudinal. En outre, ladite au moins une ouverture collectrice et/ou ladite au moins une ouverture distributrice peuvent être choisies parmi : une fente longitudinale s’étendant sur une longueur selon l’axe longitudinal ; une fente transversale s’étendant sur une largeur transversalement à l’axe longitudinal ; un orifice local, notamment de forme circulaire, ovale, oblongue ou rectangulaire ; entre autres. Une pluralité d’ouvertures collectrices décalées et/ou une pluralité d’ouvertures distributrices décalées peuvent se présenter respectivement sous la forme d’un nuage d’ouvertures collectrices décalées dont notamment au moins deux sont contenues dans un même plan transversal et/ou sous la forme d’un nuage d’ouvertures distributrices décalées dont notamment au moins deux sont contenues dans un même plan transversal. Le nuage d’ouvertures distributrices décalées peut comporter au moins une ouverture distributrice décalée dédiée à une distribution primaire de gaz et au moins une ouverture distributrice décalée dédiée à une distribution secondaire de gaz, différente de la distribution primaire de gaz. En complément ou en variante, le nuage d’ouvertures collectrices décalées peut comporter au moins une ouverture collectrice décalée dédiée à une collection primaire de gaz et au moins une ouverture collectrice décalée dédiée à une collection secondaire de gaz, différente de la collection primaire de gaz. Ladite au moins une ouverture collectrice décalée et ladite au moins une ouverture distributrice décalée peuvent ne pas être superposées axialement selon l’axe longitudinal. En outre, la distance minimale entre une ouverture collectrice décalée et une ouverture distributrice décalée peut être comprise entre la moitié du diamètre de l’insert et la moitié de la longueur totale de l’insert. Plusieurs ouvertures distributrices décalées peuvent être situées dans un même plan transversal à l’axe longitudinal et espacées régulièrement entre elles. En complément ou en variante, plusieurs ouvertures collectrices décalées peuvent être situées dans un même plan transversal à l’axe longitudinal et espacée régulièrement entre elles. Par ailleurs, ladite au moins une ouverture collectrice décalée et/ou ladite au moins une ouverture distributrice décalée peuvent être obtenues par usinage et/ou par fabrication additive. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu’à l’examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel : est une représentation schématique d’un réacteur tubulaire à lit fixe selon une première variante de la présente invention, en particulier représente le réacteur selon un plan de coupe longitudinale passant par un axe longitudinal XX’ du réacteur ; est une représentation schématique du réacteur de selon un plan de coupe transversal perpendiculaire à l’axe longitudinal ; est une représentation d’un filtre, et notamment d’un filtre formé de quatre plans de fibres, susceptible d’être mis en œuvre dans le réacteur tubulaire selon la présente invention ; est une représentation d’un réacteur tubulaire à lit fixe selon la première variante de la présente invention au niveau de la première extrémité illustrant l’agencement du joint et du ressort retenant le lit de poudre catalytique ; est une représentation schématique de l’insert creux selon le plan de coupe AA’ de ; est une représentation schématique d’un insert selon une deuxième variante de la présente invention, en particulier représente le réacteur selon un plan de coupe longitudinale passant par un axe longitudinal XX’ du réacteur ; , , , et sont des vues, respectivement, selon les plans de coupe A, B, C, D et E de l’insert creux représenté à ; est une représentation schématique d’un insert selon une troisième variante de la présente invention, en particulier représente le réacteur selon un plan de coupe longitudinale passant par un axe longitudinal XX’ du réacteur ; et sont des vues, respectivement, selon les plans de coupe CC’ et DD’ de l’insert creux représenté à ; , et sont des représentations schématiques de variantes de réalisation d’une deuxième portion longitudinale d’un insert comprenant au moins une ouverture distributrice alignée et au moins une ouverture collectrice alignée ; , et sont des représentations schématiques de variantes de réalisation d’une première portion longitudinale d’un insert comprenant au moins une ouverture distributrice décalée et au moins une ouverture collectrice décalée ; est une représentation schématique d’un réacteur tubulaire à lit fixe selon un plan de coupe longitudinale illustrant la circulation du gaz au niveau des ouvertures distributrices et collectrices décalées ; est une représentation schématique de l’insert de ; et est une vue en coupe selon C-C de . Dans l’ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues. De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. Réacteur tubulaire (1) à lit fixe qui s’étend, selon un axe longitudinal (XX’), entre une première extrémité (11) et une deuxième extrémité (12), le réacteur (1) comprenant un lit de poudre catalytique confiné dans un espace annulaire (30) délimité par une première paroi d’un tube creux (10) et une deuxième paroi (21) d’un insert creux (20), disposé dans le tube creux (10) et de manière coaxiale à ce dernier, l’insert creux (20) comprenant au moins une chambre de distribution (40) et au moins une chambre de collecte (50), séparées l’une de l’autre par une paroi séparatrice (60), et comprenant, respectivement, une ouverture d’admission (41) de gaz au niveau de la première extrémité (11) et une ouverture d’évacuation (51) de gaz au niveau de la deuxième extrémité (12), la deuxième paroi (21) comprenant au moins une ouverture distributrice (42) et au moins une ouverture collectrice (52), l’ouverture distributrice (42) permettant la distribution d’un gaz susceptible d’être admis par l’ouverture d’admission (41) de la chambre de distribution (40) vers l’espace annulaire (30), et l’ouverture collectrice (52) permettant la collecte du gaz distribué dans l’espace annulaire (30) par la chambre de collecte (50), caractérisé en ce que la deuxième paroi (21) de l’insert creux (20) comporte, sur au moins une première portion longitudinale (PI) de l’insert (20) définie selon l’axe longitudinal (XX’), au moins une ouverture distributrice décalée (42) et au moins une ouverture collectrice décalée (52), toute ouverture distributrice décalée (42) étant contenue dans un plan transversal (P1) à l’axe longitudinal (XX’) différent de tout plan transversal (P2) à l’axe longitudinal (XX’) contenant une ouverture collectrice décalée (52) de sorte que la direction du flux de gaz distribué et/ou admis entre une ouverture collectrice décalée (52) et une ouverture distributrice décalée (42) présente une composante axiale selon l’axe longitudinal (XX’). Réacteur selon la revendication 1, dans lequel la deuxième paroi (21) de l’insert creux (20) comporte, sur au moins une deuxième portion longitudinale (PE) de l’insert (20) définie selon l’axe longitudinal (XX’), au moins une ouverture distributrice alignée (42) et au moins une ouverture collectrice alignée (52), toute ouverture distributrice alignée (42) étant contenue dans un plan transversal à l’axe longitudinal (XX’) contenant également au moins une ouverture collectrice alignée (52) de sorte que la direction du flux de gaz distribué et/ou admis entre une ouverture collectrice alignée (52) et une ouverture distributrice alignée (42) présente une composante axiale sensiblement nulle selon l’axe longitudinal (XX’). Réacteur selon la revendication 2, dans lequel une pluralité d’ouvertures collectrices alignées (52) et/ou une pluralité d’ouvertures distributrices alignées (42) sont alignées axialement selon l’axe longitudinal (XX’). Réacteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une ouverture collectrice (52) et/ou ladite au moins une ouverture distributrice (42) sont choisies parmi : une fente longitudinale s’étendant sur une longueur (L) selon l’axe longitudinal (XX’) ; une fente transversale s’étendant sur une largeur (l) transversalement à l’axe longitudinal (XX’) ; un orifice local, notamment de forme circulaire, ovale, oblongue ou rectangulaire. Réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une pluralité d’ouvertures collectrices décalées (52) et/ou une pluralité d’ouvertures distributrices décalées (42) se présentent respectivement sous la forme d’un nuage d’ouvertures collectrices décalées (52) dont au moins deux sont contenues dans un même plan transversal et/ou sous la forme d’un nuage d’ouvertures distributrices décalées (42) dont au moins deux sont contenues dans un même plan transversal. Réacteur selon la revendication 5, dans lequel le nuage d’ouvertures collectrices décalées (52) comporte au moins une ouverture collectrice décalée (52) dédiée à une collection primaire de gaz et au moins une ouverture collectrice décalée (52) dédiée à une collection secondaire de gaz, différente de la collection primaire de gaz, et/ou dans lequel le nuage d’ouvertures distributrices décalées (42) comporte au moins une ouverture distributrice décalée (42) dédiée à une distribution primaire de gaz et au moins une ouverture distributrice décalée (42) dédiée à une distribution secondaire de gaz, différente de la distribution primaire de gaz. Réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une ouverture collectrice décalée (52) et ladite au moins une ouverture distributrice décalée (42) ne sont pas superposées axialement selon l’axe longitudinal (XX’). Réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la distance minimale (Dm) entre une ouverture collectrice décalée (52) et une ouverture distributrice décalée (42) est comprise entre la moitié du diamètre de l’insert (20) et la moitié de la longueur totale (LI) de l’insert (20). Réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel plusieurs ouvertures collectrices décalées (52) sont situées dans un même plan transversal à l’axe longitudinal (XX’) et espacées régulièrement entre elles, et/ou dans lequel plusieurs ouvertures distributrices décalées (42) sont situées dans un même plan transversal à l’axe longitudinal (XX’) et espacées régulièrement entre elles. Réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une ouverture collectrice décalée (52) et/ou ladite au moins une ouverture distributrice décalée (42) sont obtenues par usinage et/ou par fabrication additive.