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DISPOSITIF D'INJECTION DE FLUIDE EN COUCHES SUCCESSIVES DANS UN LIT FLUIDIFIE
ROTATIF ET
PROCEDES UTILISANT CE DISPOSITIF
DESCRIPTION
La presente invention se rapporte a un dispositif d'injection de fluide, en
couches successives, dans un lit fluidifie
rotatif, a 1'interieur d'une chambre de reaction circulaire fixe, et a des
procedes de polymerisation catalytique, de sechage,
d'impregnation, d'enrobage ou d'autres traitements de particules solides en
suspension dans le lit fluidifie rotatif, ou de cra-
quage, de deshydrogenation ou d'autres transformation catalytique de fluides
utilisant ce dispositif.
Pour obtenir une concentration elevee de particules solides dans un lit
fluidifie classique, soumis a la seule force de
gravite, il faut que le fluide qui traverse le lit fluidifie exerce sur les
particules solides une pression ascensionnelle inferieure
a la pression descendante des particules solides due a la force de la gravite,
et donc que sa vitesse ascensionnelle soit faible,
ce qui limite le debit de fluide pouvant traverser le lit fluidifie et la
difference de vitesse du fluide avec celle des particules
solides en suspension dans ce fluide.
Dans un lit fluidifie rotatif, ou la force centrifuge peut etre
substantiellement superieure a la force de gravite, la
pression centripete exercee par le fluide qui traverse radialement le lit
fluidifie peut etre substantiellement plus elevee et donc
son debit et sa difference de vitesse avec celle des particules solides
peuvent etre substantiellement plus eleves, ce qui ame-
liore le contact entre le fluide et les particules solides et augmente
substantiellement le volume de fluide pouvant traverser le
lit fluidifie et donc aussi sa capacite de refroidir, rechauffer et / ou
secher les particules solides.
Si le lit fluidifie rotatif est supporte par une paroi cylindrique fixe le
long de laquelle il doit glisser, la pression
exercee par les particules solides contre cette paroi cylindrique fixe freine
d'autant plus ces particules solides que 1'epaisseur,
la densite et la vitesse de rotation du lit fluidifie sont grandes. Cette
derniere diminuera rapidement si le moment cinetique de
rotation n'est pas maintenu a 1'aide de moyens mecaniques rotatifs, avec les
problemes lies a la presence d'equipement mobile
a 1'interieur d'un reacteur, et / ou par 1'injection de fluide, a grande
vitesse, dans le sens de rotation du lit fluidifie. Toutefois
si la masse specifique du fluide est beaucoup plus faible que celle des
particules solides, la quantite de fluide qu'il faut injec-
ter pour transferer aux particules solides le moment cinetique necessaire est
tres grande et elle peut empecher la formation
dun lit fluidifie epais et dense et la bonne separation du fluide et des
particules solides.
En effet, lorsqu'on injecte un fluide a grande vitesse, tangentiellement a la
paroi cylindrique et perpendiculairement
a 1'axe de symetrie d'une chambre cylindrique traversee par une cheminee
centrale comprenant des ouvertures d'evacuation
servant a 1'evacuation de ce fluide, le fluide peut accomplir plusieurs tours
autour de cette cheminee centrale avant d'y pene-
trer, si les ouvertures d'evacuation sont etroites. Mais, des qu'on introduit
des particules solides a 1'interieur de cette chambre
cylindrique, elles freinent d'autant plus le fluide que le rapport de la masse
specifique des particules solides et du fluide est
grand. Des lors 1'evacuation du fluide devient plus directe, ce qui peut meme
entrainer une inversion du flux de fluide le long
de la cheminee centrale, en aval des ouvertures d'evacuation, et provoquer de
la turbulence qui entraine les particules solides
vers la sortie, limitant ainsi la possibilite de former un lit fluidifie epais
et dense a 1'interieur de la chambre cylindrique.
La presente invention se rapporte a un dispositif a lit fluidifie rotatif
comprenant une chambre circulaire de reac-
tion, un dispositif d'alimentation d'un ou plusieurs fluides, dispose autour
de la paroi circulaire de la dite chambre circulaire
de reaction, un dispositif d'evacuation du ou des dits fluides, un dispositif
d'alimentation de particules solides d'une cote de
la dite chambre circulaire de reaction et un dispositif d'evacuation des dites
particules solides du cote oppose de la dite
chambre circulaire de reaction, caracterise en ce que:
= le dit dispositif d'evacuation du ou des dits fluides comprend une cheminee
centrale traversant longitudi-
nalement ou penetrant a 1'interieur de la dite chambre de reaction, la paroi
de la dite cheminee centrale comprenant au moins
une ouverture d'evacuation permettant d'evacuer centralement, par la dite
cheminee centrale, le ou les dits fluides de la dite
chambre circulaire de reaction;
= le dit dispositif d'alimentation du ou des dits fluides comprend des
injecteurs de fluide repartis autour de
la dite paroi circulaire permettant d'injecter le ou les dits fluides en une
succession de couches qui longent la dite paroi
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circulaire en toumant autour de la dite cheminee centrale et en entrainant les
dites particules solides dans un mouvement de
rotation dont la force centrifuge les poussent vers la dite paroi circulaire,
au travers de la dite succession de couches;
= la dite force centrifuge est, en moyenne, au moins egale a trois fois la
force de la pesanteur, les dites par-
ticules solides formant ainsi un lit fluidifle rotatif qui toume autour et a
une certaine distance de la dite cheminee centrale en
glissant le long de la de la dite paroi circulaire et en etant supporte par
les dites couches du ou des dits fluides qui traversent
le dit lit fluidifie avant d'etre evacues centralement par la dite ouverture
d'evacuation de la dite cheminee centrale et dont la
force centripete est compensee par la dite force centrifuge s'exerqant sur les
dites particules solides.
Dans la presente invention, des injecteurs, repartis autour de la paroi
circulaire d'une chambre circulaire de reac-
tion, injectent un ou plusieurs fluides, le long de la paroi circulaire, en
couches successives, afin de former une succession de
couches de fluide qui se superposent en tournant rapidement a 1'interieur de
la chambre de reaction, autour d'une cheminee
centrale qui y penetre ou la traverse le long de son axe central et qui est
pourvue d'une ou plusieurs ouvertures d'evacuation
par ou le fluide peut etre evacue centralement. La chambre circulaire de
reaction est traversee par un flux de particules solides
qui sont alimentees d'un de ses c6tes et evacuees du c6te oppose et qui sont
entrainees par le fluide dans un mouvement de
rotation rapide dont la force centrifuge permet de les concentrer, avant leur
sortie de la chambre circulaire de reaction, dans
un lit fluidifie rotatif dense, qui est au moins partiellement supporte par la
pression centripete de ces couches successives de
fluide qui longent la paroi circulaire et qui agissent comme des coussins de
fluide, r6duisant la friction des particules solides
contre cette paroi. Le fluide est alimente par un dispositif d'alimentation
qui peut comprendre une chambre d'alimentation du
fluide entourant la chambre circulaire de reaction, la difference de pression,
de preference superieure a la pression moyenne
due a la force centrifuge du lit fluidifie rotatif contre la paroi circulaire,
entre le dispositif d'alimentation et la cheminee cen-
trale et le debit du ou des fluides permettant de supporter et de faire
tourner le lit fluidifle a une vitesse generant une force
centrifuge moyenne substantielle, de preference superieure a trois fois la
force de gravite.
Pour eviter 1'entrainement des particules solides dans la cheminee centrale,
il faut que la vitesse et / ou la difference
entre la pression d'injection et d'evacuation du fluide soit d'autant plus
grande et que les pertes de moment cinetique de rota-
tion des particules solides soient d'autant plus petites que le rayon de la
chambre de reaction et le rapport des masses specifi-
ques des particules solides et du fluide sont grands.
A cette fin, pour limiter la pression et la concentration des particules
solides contre la paroi circulaire de la cham-
bre de reaction et donc leur freinage, il est souhaitable que dans chaque
tranche annulaire de la chambre de reaction, il y ait
au moins un injecteur de fluide tous les 90 , soit 4, et de preference au
moins sept, le plus prefere etant au moins 11 et donc
que le nombre de couches successives de fluide soit eleve, ou que la distance
entre ces injecteurs soit petite, de preference
inferieur au rayon moyen de la chambre circulaire, pour limiter la quantite et
la concentration des particules solides qui en-
trent en contact avec cette paroi circulaire apres avoir traverse la couche de
fluide qui a ete injecte par 1'injecteur situe en
amont, avant d'atteindre la couche de fluide injecte par 1'injecteur situe en
aval.
Il est aussi souhaitable que le profil des injecteurs soit conqu de maniere a
pouvoir injecter le fluide a une vitesse
suffisante, de preference a au moins deux fois la vitesse de rotation
souhaitee pour les particules solides dans le lit fluidifie, et
en couches minces, avec une epaisseur au moment de leur injection de
preference inferieure au vingtieme du rayon moyen de
la chambre de reaction, dans une direction formant un angle aigu, de
preference inferieur a 30 , avec la paroi circulaire, et
que les plans des ouvertures de sortie des injecteurs de fluide forment avec
le c6te de la paroi circulaire situe en aval des
angles de preference compris entre 60 et 120 , pour que la poussee du ou des
fluides au moment de leur sortie des injecteurs
soit plus tangentielle que radiale ou centripete. La paroi circulaire peut
etre cylindrique, mais elle peut aussi avoir differents
rayons de courbure ou etre plane entre les injecteurs de fluide. Dans ce
dernier cas la paroi circulaire est polygonale et ses
c6tes situes de part et d'autre des injecteurs forment un angle d'autant plus
proche de 180 que le nombre d'injecteurs est
eleve.
Il est egalement preferable, pour faciliter la rotation du fluide autour de la
cheminee centrale et de reduire la possi-
bilite d'une inversion du flux de fluide qui peut remonter le long de la paroi
de la cheminee centrale en aval des ouvertures
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d'evacuation, qu'aucune section transversale de la cheminee centrale ne
comprenne plus d'une seule ouverture d'evacuation de
fluide, et que ces ouvertures soient etroites, disposees longitudinalement, de
preference d'une largeur moyenne inferieure a la
moitie de la distance moyenne entre la cheminee centrale et la paroi
circulaire et que la somme des sections des ouvertures
d'evacuation soit de preference inferieure au double de la somme des sections
des ouvertures de sortie des injecteurs de
fluide, qui est elle meme de preference inferieure a la moitie de la section
longitudinale moyenne de la chambre circulaire de
reaction, et que les plans de ces ouvertures d'evacuation forment avec la
paroi de la cheminee centrale un angle de preference
compris entre 60 et 120 , cette paroi s'ecartant progressivement de la paroi
circulaire de la chambre de reaction, depuis son
c6te situe en aval des ouvertures d'evacuation jusqu'au c6te oppose, prenant
ainsi 1'apparence d'une spirale.
La presente invention peut comprendre au moins un deflecteur, en forme d'aile,
traversant longitudinalement la
chambre de reaction, a proximite de la paroi de la cheminee centrale, ayant
son bord d'attaque en amont de la ou des ouvertu-
res d'evacuation du fluide et son bord de fuite en aval de ces ouvertures
d'evacuation du fluide, afin de reintroduire dans la
chambre de reaction les particules solides, generalement les plus fines, qui
sont entrees dans 1'espace situe entre le deflecteur
et la paroi de la cheminee centrale. La section de 1'entree de cet espace est
de preference plus grande que la somme des sec-
tions des ouvertures d'evacuation et la distance entre le bord de fuite et la
paroi de la cheminee centrale est de preference
inferieure a la moitie de la distance entre ce bord et la paroi circulaire. Ce
deflecteur peut etre creux et muni d'injecteurs de
fluide disposes le long de son bord de fuite, afm d'injecter a grande vitesse,
une couche mince de fluide, approximativement
parallelement, de preference a plus ou moins 30 pres, a la paroi de la
cheminee centrale, en aval des ouvertures d'evacuation,
afin d'empecher ces particules solides de remonter le long de la paroi de la
cheminee centrale en aval de 1'ouverture d'evacua-
tion.
La presente invention peut comprendre au moins un anneau transversal de
regulation, qui est place a proximite de la
sortie des particules solides, dont le bord exterieur longe et est fixe a la
paroi circulaire et dont le bord interieur entoure et est
a une distance moyenne de la cheminee centrale, de preference superieure au
quart de la distance moyenne entre la cheminee
centrale et la paroi circulaire, afm de permettre aux particules solides de
passer d'un c6te du lit fluidifie a 1'autre sans trop se
rapprocher des ouvertures d'evacuation de la cheminee centrale. Cet anneau de
regulation permet d'empecher ou de ralentir le
transfert des particules solides situees en amont de cet anneau vers 1'aval,
tant que le lit fluidifie n'a pas atteint 1'epaisseur
souhaitee en amont. Cet anneau peut comprendre un passage le long de la paroi
circulaire, afin de permettre un passage mi-
nimum suffisant pour vider progressivement la chambre circulaire de reaction
lorsque 1'alimentation des particules solides est
arretee.
La presente invention peut comprendre un ensemble de spires helicoidales, dont
les bords exterieurs longent et sont
fixes a la paroi circulaire et dont les bords interieurs entourent et sont a
une distance moyenne de la cheminee centrale, de
preference superieure au quart de la distance moyenne entre la cheminee
centrale et la paroi circulaire, afin de permettre aux
particules solides qui se deplacent longitudinalement dans un sens,
lorsqu'elles longent ces spires helicoidales, de se deplacer
dans 1'autre sens dans 1'espace entre ces spires helicoidales et la cheminee
centrale sans trop se rapprocher des ouvertures
d'evacuation de la cheminee centrale. Ces spires helicoidales, qui peuvent
former une helice helicoidale continue ou disconti-
nue ou etre fragmentees en un ensemble d'ailettes, permettent de faire passer
les particules solides d'un c6te a 1'autre de la
chambre circulaire de reaction de nombreuses fois et / ou de les faire monter
longitudinalement, si 1'axe de rotation du lit
fluidifie est incline ou vertical. Des dispositifs semblables sont d6crits
dans les demandes n 2004/0186 et n 2004/0612 de
brevets belges, deposees le 14 avril et le 12 d6cembre 2004 au nom du meme
inventeur.
Dans la presente invention, 1'axe de rotation du lit fluidifie peut etre
horizontal, incline ou vertical. S'il est horizon-
tal ou incline de moins de 45 , de preference de moins de 30 , la vitesse
moyenne des particules solides, leur concentration et
la pression qu'elles exercent sur les couches minces de fluide sont plus
elevees dans le bas de la chambre de reaction. Il est
donc preferable de diviser la chambre exterieure de distribution en plusieurs
secteurs longitudinaux par des parois longitudi-
nales de separation afin de pouvoir differencier la pression d'injection de
fluide dans les differents injecteurs de fluide en
fonction de leur position dans la chambre de reaction.
Si 1'axe de rotation du lit fluidifie est approximativement vertical ou
incline de plus de 45 , de preference d'au
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moins 60 , des anneaux de separation, entourant la cheminee centrale a une
certaine distance de celle-ci, de preference au
moins le tiers de la distance moyenne entre la paroi circulaire et la cheminee
centrale pour permettre aux particules solides de
passer dans cet espace sans trop se rapprocher de 1'ouverture d'evacuation de
la cheminee centrale, peuvent etre flxes contre la
paroi circulaire pour empecher la chute trop rapide des particules solides. La
pression exercee par ces particules solides
contre la surface superieure de ces anneaux de separation va les freiner non
seulement dans leur chute, mais aussi dans leur
mouvement de rotation. Ceci peut etre compense, si necessaire, si ces anneaux
sont creux et munis d'injecteurs de fluide
permettant d'injecter un fluide en couches minces le long de leur surface
superieure dans le sens de rotation des particules
solides.
Dans la presente invention, ces anneaux de separation peuvent etre remplaces
par des spires helicoidales, qui peu-
vent aussi etre creuses et qui peuvent former une helice helicoidale continue
ou discontinue ou etre fragmentees en ailettes,
fixees contre la paroi circulaire, 1'orientation de la pente des spires ou des
ailettes entrainant vers le haut les particules solides,
qui toument rapidement le long de la paroi circulaire, et la distance moyenne
entre le bord interieur des spires et la cheminee
centrale, de preference superieure au quart de la distance moyenne entre la
paroi circulaire et la cheminee centrale, permettant
aux particules solides, qui sont montees en longeant la surface superieure de
ces spires, de retomber dans cet espace sans trop
se rapprocher de 1'ouverture d'evacuation de la cheminee centrale. Ceci permet
d'alimenter les particules solides dans le bas
de la chambre circulaire de reaction et de les evacuer dans le haut. Des
dispositifs semblables sont decrits dans les demandes
n 2004/0186 et n 2004/0612 de brevets belges, deposees le 14 avril et le 12
d6cembre 2004 au nom du meme inventeur.
Dans la presente invention, la cheminee centrale peut ne traverser qu'un c6te
de la chambre circulaire de reaction,
de preference le c6te superieur si 1'axe de rotation du lit fluidifle est
vertical ou incline, et se terminer avant d'atteindre le c6te
oppose. Sa section transversale peut diminuer progressivement et son extremite
situee dans la chambre circulaire de reaction
peut etre ouverte ou fermee.
Dans la presente invention, la chambre de distribution peut etre divisee en
tronqons annulaires successifs par des
parois annulaires transversales de separation afin de pouvoir differencier la
qualite et la quantite des fluides qui sont alimen-
tes dans les differents tronqons et qui traversent le tronqon correspondant du
lit fluidifle rotatif et ces fluides peuvent etre
recycles dans les memes tronqons ou dans d'autres tronqons, si la cheminee
centrale est aussi divisee en tronqons successifs,
relies a des tubes passant a 1'interieur de la cheminee centrale et permettant
d'evacuer separement ces fluides.
Dans la presente invention, plusieurs chambres circulaires de reaction peuvent
etre mises en serie en reliant la sortie
des particules solides d'une chambre a 1'entree des particules solides de la
chambre suivante, et les particules solides peuvent
etre recyclees, apres avoir ete regenerees, si elles sont catalytiques, par un
dispositif adequat apres avoir passe un temps plus
ou moins long, en fonction des besoins, dans la ou les chambres circulaires de
reaction. Un dispositif semblable est d6crit
dans la demande de brevet n 2004/0612 d'un brevet belge, deposee le 12
d6cembre 2004 au nom du meme inventeur.
La presente invention permet de faire traverser un lit fluidifie rotatif
dense, avec une bonne separation entre les par-
ticules solides et le fluide, par une tres grande quantite de fluide et de le
faire tourner rapidement pour obtenir une force
centrifuge elevee, sans lutilisation de moyens m6caniques rotatifs a
1'interieur du reacteur, meme si la densite du fluide est
faible. Elle permet un recyclage aise, apres traitement adequat, du fluide et
/ ou des particules solides, dont le temps de resi-
dence peut etre adapte aux besoins. Elle est particulierement avantageuse pour
les procedes qui n6cessitent un tres bon
contact entre le fluide et les particules solides, comme le sechage rapide de
particules solides dans un reacteur de faible en-
combrement, et / ou une grande capacite de transfert calorifique pour le
contr6le de la temperature de reactions catalytiques
tres exothermiques, comme la polymerisation catalytique de 1'ethylene ou tres
endothermiques comme la deshydrogenation
catalytique de 1'ethylbenzene ou le craquage catalytique d'essences legeres.
Elle permet egalement la regeneration des particu-
les catalytiques au rythme souhaite et la grande vitesse de rotation de ces
particules solides reduit la probabilite qu'elles for-
ment des agglomerats ou adherent a la surface du reacteur. La presence de
coussins de fluide entre les particules solides et la
surface du reacteur reduit egalement 1'attrition de ces particules solides et
des parois du reacteur.
La figure 1 montre la coupe longitudinale schematique, dans le plan des axes
(x) et (z), 1'axe (x) co'incidant avec
1'axe de rotation du lit fluidifle (00') et 1'axe (z), dirige vers le haut,
coincidant avec la verticale, d'un reacteur cylindrique
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comprenant trois parois concentriques, la paroi exterieure (1), la paroi
mediane, appelee la paroi circulaire (2) et la paroi
centrale (3), appelee la paroi de la cheminee centrale, 1'espace compris entre
la paroi exterieure et la paroi centrale etant ferme
par deux parois laterales annulaires (4.1) et (4.2). L'espace (5) entre la
paroi exterieure et la paroi circulaire est la chambre
d'alimentation du ou des fluides, 1'espace (6) entre la paroi circulaire et la
paroi centrale est la chambre circulaire de reaction
et 1'espace a 1'interieur de la paroi centrale est la cheminee centrale (7).
Des tubes (8) permettent d'introduire le ou les fluides, symbolises par les
fleches (9) au travers de la paroi exte-
rieure (1) ou des parois laterales annulaires (4.1) et (4.2), a 1'interieur de
la chambre d'alimentation (5) et des tubes (10) per-
mettent d'evacuer le ou les fluides, symbolises par les fleches (11), de la
cheminee centrale (7). Des fentes longitudinales
(12), pouvant s'etendre de maniere continue d'une extremite a 1'autre de la
chambre circulaire de reaction ou, comme c'est le
cas sur cette figure, s'etendre sur des longueurs plus ou moins grandes et
etre separees les unes des autres par des distances
plus ou moins grandes, traversant la paroi circulaire (2), schematisent les
injecteurs de fluide qui permettent d'injecter dans la
chambre circulaire de reaction (6), le ou les fluides, symbolise par les
fleches (13), en couches minces, a grande vitesse, le
long de la paroi circulaire (2), et une ouverture d'evacuation (14) dans la
paroi de la cheminee centrale (3) permet d'evacuer
ce fluide, symbolise par les fleches (15), de la chambre circulaire de
reaction (6) dans la cheminee centrale (7). Comme le ou
les fluides toument rapidement dans la chambre circulaire de reaction, la
composante tangentielle de leur vitesse est large-
ment superieure a la composante radiale, mais elle n'est pas visible car elle
est perpendiculaire au plan de la figure.
Un conduit (16) permet d'introduire des particules solides, symbolisees par de
petits ronds (17), au travers de la pa-
roi laterale (4.1). Les particules solides sont entrainees par le fluide dans
un mouvement de rotation et la force centrifuge les
maintient le long de la paroi circulaire (2) ou elles forment un lit fluidifi&
de surface approximativement cylindrique (18). Un
conduit (19) permet d'evacuer les particules solides (17) au travers de la
paroi laterale annulaire opposee (4.2).
Des parois annulaires (20) peuvent diviser la chambre de distribution (5) en
tronqons annulaires, (A), (B) et (C)
pour pouvoir alimenter des qualites differentes et / ou a des pressions
differentes le ou les fluides.
Les tubes (10) d'evacuation du ou des fluides peuvent penetrer a 1'interieur
de la cheminee centrale (3) qui s'elargit
a ses deux extremites, formant ainsi des sortes de cyclone. Les particules
solides, qui ont pu penetrer a 1'interieur de la chemi-
5 nee centrale et qui tournent rapidement, se concentrent le long des parois
coniques (24), et sont evacuees par les tubes (25) et
eventuellement recyclees.
Le lit fluidifi& peut etre divise par un anneau de regulation (26)
eventuellement munis d'un ou plusieurs passages
(27) contre la paroi circulaire permettant aux particules solides de passer
d'un c6te a 1'autre. Si le debit d'alimentation des
particules solides (17) par le conduit (16) est plus eleve que le debit de
transfert des particules solides au travers des passages
(27), 1'epaisseur (28) du lit fluidifi& en amont de 1'anneau de regulation
(26) augmentera jusqu'a ce qu'il soit suffisant pour
que les particules debordent par le centre de cet anneau pour passer de
1'autre c6te. Et si le debit de sortie des particules soli-
des par le conduit (19) est plus grand que le debit d'alimentation,
1'epaisseur (29) du lit fluidifi& en aval de 1'anneau de regu-
lation (26) diminuera jusqu'a ce que la rarefaction des particules solides
ajuste automatiquement le debit de sortie avec le
debit d'entree de ces particules. Ce dispositif permet de maintenir
approximativement constant le volume du lit fluidifi& en
amont de 1'anneau de regulation (26), de preference situe a proximite de la
sortie (19), si le debit d'alimentation des particules
solides est suffisamment eleve. Les passages (27) permettent aussi d'evacuer
la totalite des particules solides de la chambre
circulaire de reaction lorsque 1'alimentation des particules solides est
arretee.
Comme le reacteur est horizontal, l'effet de la force de gravite engendre une
difference d'epaisseur du lit fluidifi& et
/ ou de concentration des particules solides entre le haut (28) et le bas (30)
de la chambre circulaire de reaction. La sortie (14)
est de preference dans le bas du reacteur car la vitesse et la concentration
des particules y est maximum, et donc 1'epaisseur
du lit fluidifi& y est minimum, ce qui diminue leur probabilite d'etre
entrainees dans la cheminee centrale (7).
Le plan de 1'ouverture d'evacuation (14) etant perpendiculaire a la paroi de
la cheminee centrale, 1'epaisseur ou lar-
geur (31) de la chambre de reaction est minimum en aval de 1'ouverture
d'evacuation (14) et elle est maximum (32) en amont.
La paroi circulaire (2) est cylindrique dans cette illustration, et donc son
rayon (33) est constant, tandis que le rayon de cour-
bure de la paroi de la cheminee centrale (3) est variable. 11 est minimum (34)
en amont de la sortie (14) et maximum (35) en
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aval.
La largeur (36) de 1'ouverture d'evacuation (14) peut etre maximum au milieu
de la chambre de reaction et mini-
mum pres des parois laterales annulaires (4.1) et (4.2) pour que la section
transversale de la cheminee centrale soit plus ele-
vee a ses extremites, afin de faciliter 1'evacuation du fluide (11). Il faut
remarquer que cette largeur (36) est de preference
nulle contre ces parois, pour eviter que les particules solides ralenties par
ces parois soient entrainees a 1'interieur de la che-
minee centrale.
Le reacteur peut etre legerement incline pour permettre d'augmenter la
circulation des particules vers leur sortie et
donc de diminuer leur temps de residence a 1'interieur de la chambre de
reaction. Dans ce cas la surface du lit fluidifie est
legerement conique en fonction de 1'importance de 1'inclinaison et du rapport
entre la force de gravite et la force centrifuge.
La figure 2 montre la coupe transversale schematique, suivant le plan des axes
(y) et (z), du reacteur de la figure 1,
ou la chambre annulaire de distribution (5) est remplacee par quatre chambres
tubulaires de distribution, de (5.1) a(5.4),
connectees chacune a un injecteur ou ensemble d'injecteurs de fluides (12).
Cette disposition peut etre preferee lorsque le
nombre d'injecteurs est peu eleve.
On peut remarquer que le rayon de courbure (35) de la paroi (3) de la cheminee
centrale est plus petit (34) sur sa
partie en amont de 1'ouverture d'evacuation (14), lui donnant 1'apparence
d'une spirale, et que la largeur (31) de la chambre
circulaire est de preference plus petite en aval qu'en amont (32), car le
debit du fluide toumant autour de la cheminee aug-
mente au fur et a mesure qu'il se rapproche de 1'ouverture d'evacuation (14).
La surface (37) schematise la section d'une zone de turbulence generee par
l'inversion eventuelle de la circulation
du fluide, schematisee par les fleches (38), en aval de la sortie (14) de la
cheminee centrale. Cette turbulence peut entrainer
1'evacuation de particules solides, generalement les plus fines, par
1'ouverture d'evacuation (14).
Il est utile de noter que la force de la pesanteur qui s'ajoute a la force
centrifuge dans le bas du reacteur et qui y
augmente la vitesse des particules solides et donc la force centrifuge, y
genere une pression plus elevee contre la paroi circu-
laire, ce qui peut justifier une pression d'injection plus elevee dans la
chambre tubulaire de distribution (5.3). Par ailleurs, il
peut etre souhaitable de diminuer la pression d'injection de la chambre
tubulaire (5.2), en amont de la sortie d'evacuation (14),
pour y diminuer la pression centripete du fluide sur les particules solides et
donc le risque de les entrainer dans la cheminee
centrale.
La simulation numerique montre qu'il est possible, dans une chambre
cylindrique de 40 cm de diametre avec 4 in-
jecteurs de fluide, injectant de 1'air a la pression atmospherique dans une
direction formant un angle de 30 avec la paroi
cylindrique, repartis, a raison d'un tous les 90 , autour de chaque tranche
annulaire de la chambre cylindrique, de former un
lit fluidifie rotatif dense. Toutefois il est constate qu'une quantite
importante de particules solides traverse les couches minces
de fluide et est freinee le long de la surface circulaire en amont des fentes
d'injection, ou leur concentration s'approche du
maximum theorique, ce qui augmente la resistance a la rotation du lit
fluidifie. 11 est egalement constate que 1'interaction
entre les particules solides, dont le ralentissement genere une pression
elevee en amont des injecteurs et le fluide dont la
pression d'injection doit etre elevee pour compenser cette pression elevee des
particules solides sur 1'ouverture de sortie des
injecteurs, peut generer localement une forte poussee centripete, pouvant
projeter les particules solides vers 1'ouverture d'eva-
cuation si cette forte poussee est en amont de 1'ouverture d'evacuation et
donc entrainer des pertes de particules solides.
Pour reduire cet effet de freinage et eviter des phenomenes de resonance qui
peuvent entrainer des pertes de parti-
cules solides, il est souhaitable d'augmenter le nombre d'injecteurs, de
preference un nombre premier, et / ou que la distance
entre les injecteurs ne soit pas partout identique. Il est aussi preferable de
donner aux injecteurs et a la paroi circulaire une
forme qui permet de minimiser la poussee centripete du fluide et de favoriser
sa poussee tangentielle.
Ainsi sur la figure 2, les plans des ouvertures de sortie des injecteurs sont
quasiment confondus avec les plans pa-
rallele a la surface circulaire qui est cylindrique, ce qui favorise la
poussee centripete due a la pression du fluide sur les parti-
cules solides meme si 1'angle d'injection du fluide est petit.
La figure 3 montre la coupe transversale schematique de la zone autour d'un
injecteur de fluide, illustrant comment
une petite modification de la paroi circulaire (2.2) en aval d'un injecteur de
fluide (12), celle-ci devenant plane et tangentielle,
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en (B), au prolongement de la paroi circulaire (2.3), change 1'orientation du
plan de sa sortie, qui forme des lors un angle (40)
d'environ 90 avec la paroi plane (2.2). La poussee generee par la pression
elevee du fluide (13.1) du c6te de 1'amont de sa
sortie, en (A), est des lors davantage dirigee tangentiellement a la paroi
circulaire.
Les particules solides, tres concentrees, symbolisees par de petits ronds
(17), forment un ensemble compact qui
glisse le long de la paroi circulaire (2.1) suivant la direction (41.1) en
amont de 1'injecteur (12.1). Leur rencontre avec la ligne
de flux (42.1) du fluide (13), a la sortie de 1'injecteur, les devient
progressivement et les accelerent le long de la ligne de flux
(41.2) et donc leur concentration diminue progressivement, permettant a une
fraction de plus en plus grande du fluide de
penetrer dans cet ensemble de particules solides de moins en moins compact en
suivant la ligne de flux du fluide (42.2) qui
penetre de plus en plus (42.3) dans le lit fluidifie en s'ecartant de la paroi
(2.3).
La pression du fluide dans 1'espace (43), entre la paroi (2.2) et la ligne de
flux (41.2) des particules solides doit etre
suffisante pour empecher les particules solides de boucher la sortie du fluide
et donc pour les devier suivant cette ligne de
flux (41.2). Au fur et a mesure que le fluide accelere les particules solides,
son energie et donc sa pression diminue, permet-
tant aux particules solides qui suivent la ligne de flux (41.3) de se
rapprocher de la paroi circulaire (2.3) qui va les ralentir et
donc augmenter leur concentration jusqu'a ce qu'elles passent devant
1'injecteur suivant. Et ainsi de suite...
Si 1'angle (40) entre le plan de la sortie de 1'injecteur (12) et la paroi
circulaire etait plus proche de 0 , comme sur la
figure 2, le changement de direction (41.2) des particules solides serait plus
brutal, engendrant une pression plus elevee et
donc une plus grande poussee du fluide sur les particules solides situees
contre la partie en amont de 1'injecteur, dans une
direction perpendiculaire a ce plan, et donc centripete et la ligne de flux
(41.2) s'ecarterait davantage de la paroi (2.2), ce qui
augmenterait le ralentissement des particules solides en amont et les
rapprocherait davantage de la cheminee centrale.
Cette illustration montre comment les particules solides freinees par la paroi
courbe de la chambre de reaction et, se
heurtant a 1'obstacle constitue par 1'injection d'un jet de fluide, peut
former un ensemble compact qui freine substantiellement
le glissement normal de ces particules solides et comment la disposition et
1'orientation de 1'ouverture de sortie des injecteurs
et de la direction d'injection du fluide peut minimiser ce freinage et la
pression centripete exercee par le fluide sur les parti-
cules solides en amont de sa sortie.
La figure 4 montre la coupe transversale schematique, suivant le plan des axes
(y) et (z) d'un reacteur dont les dis-
positifs d'alimentation et d'evacuation du ou des fluides de la chambre de
reaction ont ete modifies pour ameliorer la propor-
tion entre le transfert de moment cinetique tangentiel et centripete du fluide
vers les particules solides et de reduire la quantite
des particules solides qui s'echappent par 1'ouverture d'evacuation (14) de la
cheminee centrale. Le nombre d'injecteurs de
fluide ayant ete augmente, 11 dans cet exemple, la chambre d'alimentation est
de preference delimitee par une paroi cylindri-
que (1) entourant la paroi circulaire (2) et elle est divisee en secteurs
longitudinaux, de (5.1) a(5.4), par des parois longitudi-
nales (49), pour permettre d'alimenter les differents injecteurs de fluides
(12) a des pressions differentes.
La paroi circulaire est plane entre deux injecteurs (12). Elle est donc
polygonale. Le fluide est injecte parallelement
a cette surface, suivant le schema decrit dans la figure 5, afin de faciliter
le glissement des particules solides le long de celle-
ci et de r6duire leur concentration en amont des fentes d'injection et donc de
diminuer la resistance a 1'avancement.
Un deflecteur creux, en forme d'aile, de section (50), traversant
longitudinalement, c'est a dire perpendiculairement
au plan de la figure, la chambre circulaire de reaction (6) et fixe aux deux
parois laterales annulaires (4.1) et (4.2), non visi-
bles sur cette figure, par ou un fluide sous pression peut y etre introduit,
est place a une distance (51) de la paroi de la chemi-
nee centrale (3), en amont de 1'ouverture d'evacuation (14). Il canalise le
flux de fluide (52) dans 1'espace (53) entre lui et la
paroi de la cheminee centrale.
La zone de turbulence (37) qui peut se developper le long du bord d'attaque
(54) du deflecteur (50) peut entrainer
des particules solides dans cet espace (53). La distance (51) etant de
preference superieure a 1'epaisseur (36) de 1'ouverture
d'evacuation (14), la vitesse du fluide (52), qui accelere ces particules
solides, augmente progressivement et la force centri-
fuge les pousse le long de la paroi interieure courbe (55) du deflecteur creux
(50).
Le bord de fuite (56) du deflecteur, situe a la distance (57) de la paroi de
la cheminee centrale (3), est muni d'un ou
plusieurs injecteurs de fluide permettant d'injecter a grande vitesse une
couche mince de fluide (58) plus ou moins parallele-
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ment, de preference a moins de 30 pres, a la paroi de la cheminee centrale
(3), produisant un effet de succion qui ramene
dans la chambre de reaction (6), au-dela de 1'ouverture d'evacuation (14), les
particules solides qui longent la paroi interieure
(55) du deflecteur. Toutefois, une zone de turbulence (59.1) peut se
developper entre la couche mince de fluide (58) et la
paroi de la cheminee centrale (3) et generer une inversion de flux qui ramene
une partie de ces particules vers la sortie (14).
Pour minimiser cette influence, il est preferable que la chute de pression
dans 1'espace (53) soit faible et donc que la quantite
de particules solides que le flux de fluide (52) doit accelerer soit faible et
que la distance (57) soit petite, de preference infe-
rieure a la moitie de la distance (60) entre le bord de fuite et la paroi
circulaire.
Une autre zone de turbulence (59.2) peut se developper entre le jet de fluide
(58) et la paroi circulaire et engendrer
une inversion du flux de fluide qui augmente la resistance a la rotation du
lit fluidifie en amont de cette zone. Pour en mini-
miser 1'influence, il est preferable que 1'injection de la couche mince de
fluide (58) soit parallele ou dirigee legerement vers la
paroi de la cheminee centrale (3).
La figure 5 montre un agrandissement de la zone situee autour des deux
injecteurs (12.1) et (12.2). Les particules
solides, en amont de 1'injecteur (12.1), glissent le long de la paroi plane
(2.1) suivant la ligne de flux (41.1). Elles exercent
une pression sur le flux de fluide (13.1) a sa sortie de 1'injecteur (12.1),
dont la surface de sortie forme un angle (40) d'environ
90 avec la surface plane de la paroi (2.2), et elles empechent 1'expansion
normale du fluide penetrant dans la chambre de
reaction, 1'obligeant a suivre la ligne de flux (42.1), dont la pression
compense la pression des particules solides et les devient
suivant la ligne de flux (41.2), qui penetre progressivement dans la couche de
ce fluide. Les particules solides forment une
barriere, qui agit comme un deflecteur plus ou moins permeable suivant leur
concentration, et elles confinent le fluide entre la
ligne de flux (42.2) et la paroi polygonale (2.2) et le fluide qui garde une
vitesse moyenne elevee, car il est confine dans un
espace etroit, perd de 1'energie et donc de la pression au fur est a mesure
qu'il la transfere aux particules solides qui longent la
ligne de flux (41.3), en les accelerant et donc leur concentration diminue et
leur permeabilite augmente, ce qui permet a la
ligne de flux (42.3) de s'eloigner de la paroi (2.2) et donc au fluide, qui a
perdu beaucoup de son energie, de ralentir. La ligne
de flux (41.4) des particules solides fini par longer la paroi (2.2), le long
de laquelle elles glissent, ralentissent et leur concen-
tration augmente avant d'atteindre 1'injecteur suivant (12.2). Et ainsi de
suite...
La concentration du flux de particules solides en amont des injecteurs est
d'autant plus grande que la distance entre
les injecteurs de fluide (12.1) et (12.2) est grande et donc que leur nombre
est petit, et si la surface de la paroi plane (2.2) etait
courbe comme les parois (2.1) et (2.3) dans la figure 3, elle exercerait sur
les flux de particules solides (41.1) et (41.4) une
pression supplementaire qui les ralentirait et qui augmenterait ainsi leur
concentration et la resistance a la rotation du lit
fluidifle.
L'angle de deviation (66) entre deux injecteurs est d'autant plus petit que le
nombre d'injecteurs est eleve, ce qui
diminue la deviation des flux de particules solides (41.2) et (41.3) et donc
la pression exercee sur les flux de fluide (13.1) et
(13.2) et donc aussi la quantite de particules solides qui peut se concentrer
le long de la paroi circulaire polygonale apres
avoir traverse ces flux de fluide et donc aussi la resistance a la rotation du
lit fluidifle. L'angle (40) forme par le plan de la
sortie de 1'injecteur (12.1) et la paroi circulaire polygonale (2.2) est
d'environ 90 , ce qui permet d'injecter le fluide (13.1)
dans une direction quasiment parallele a cette paroi (2.2) et ainsi
d'augmenter la quantite de moment cinetique tangentiel
transferee aux particules solides.
Cette illustration montre que les particules solides sont portees par un
coussin de fluide dont la pression compense
la force centrifuge et permet a ces particules de glisser le long de la paroi
circulaire polygonale avec une resistance a la rota-
tion tres faible, si le nombre d'injecteurs de fluide est eleve.
La chambre circulaire de reaction peut etre connecte en serie a d'autres
chambres semblables, la sortie (19) des par-
ticules solides de la chambre en amont etant reliee a 1'entree (16) de la
chambre suivante. Ces chambres circulaires de reac-
tion peuvent etre c6te a c6te, dans le prolongement 1'une de 1'autre ou
superposees. Elles peuvent etre inclinees ou verticales.
La figure 6 montre la coupe longitudinale schematique, dans le plan des axes
(x) et (z), 1'axe des (z) etant vertical et
co'incidant avec 1'axe de rotation (00') des lits fluidifles, de la connexion
de deux tronqons de chambres circulaires superpo-
sees. Les surfaces (18) des lits fluidifies etant coniques, les lits
fluidifles des chambres de reaction (6) sont subdivises en
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tronqons annulaires par des anneaux de separation (80) qui supportent la
partie du lit fluidifie directement situee au-dessus
d'eux. Ceux-ci sont creux et connectes aux chambres de distribution du fluide
(5) par des ouvertures (81) afin de pouvoir
injecter par des injecteurs (82), plus ou moins parallelement au plan des axes
(x) et (y) et perpendiculairement a 1'axe de
rotation (00'), des fluides, symbolises par les fleches (83), en couches
minces, qui supportent et font tourner les particules
solides qui s'appuient sur la partie superieure des anneaux de separation
(80).
L'anneau de separation (85) situe au bas des chambres de reaction est prolonge
jusqu'a la paroi de la cheminee cen-
trale (3), tandis que les autres anneaux de separation (80) ont une ouverture
centrale large, de preference superieure au quart
de la distance moyenne entre la paroi circulaire et la cheminee centrale, pour
permettre aux particules solides d'y passer tout
en restant a une certaine distance de la paroi de la cheminee centrale (3)
pour ne pas etre entrainees dans la cheminee centrale
par 1'ouverture d'evacuation (14).
Un flux de particules solides (90) sort du bas de la chambre circulaire de
reaction superieure par le conduit de trans-
fert (91) qui traverse 1'anneau de separation (85) et penetre (92) dans la
partie superieure de la chambre inferieure. Les flux
de fluide (11) sont evacues des cheminees centrales (7) par un ou plusieurs
conduits (93).
Il faut remarquer que si la pression du fluide au-dela du lit fluidifle est
plus ou moins la meme dans chaque cham-
bre circulaire de reaction, la pression a 1'entree du conduit de transfert
(91), situee a 1'interieur du lit fluidifle, a proximite de
la paroi circulaire, est superieure a la pression a sa sortie, situee en
dehors du lit fluidifle, pres de la paroi de la cheminee
centrale, ce qui facilite le transfert des particules solides d'un reacteur a
1'autre, meme lorsque les reacteurs sont horizontaux
et situes a la meme hauteur.
Enfin les particules solides (95), qui ont penetre dans la cheminee centrale
(7) en passant par 1'ouverture d'evacua-
tion (14) et qui tombent tout en tournant dans le bas de la cheminee centrale,
en sont evacuees par le tube (96), qui dans la
realite n'est pas dans le meme plan que le conduit de transfert (90), afin de
pouvoir les croiser. La pression en cet endroit
etant plus faible que la pression dans la chambre de reaction, ces particules
solides doivent donc etre collectees separement
pour etre eventuellement recyclees par des moyens adequats.
Les anneaux de separation (80) peuvent etre remplaces par des spires
helicoidales. Les particules solides qui tour-
nent le long de la paroi circulaire et d'une spire helicoidale vont monter si
la pente de la spire est dans le sens ascendant. Dans
ce cas il est possible de transferer les particules solides de la chambre
inferieure vers la chambre superieure, si la partie infe-
rieure du conduit de transfert (91) est localisee le long de la paroi
circulaire ou la pression est la plus elevee et la partie supe-
rieure de ce conduit (91) est localisee contre la cheminee centrale ou la
pression est la plus faible. Les particules qui ne sont
pas transferees ou evacuees de la partie superieure de la chambre circulaire
de reaction peuvent retomber dans 1'espace central
entre le bord interieur des spires et la cheminee centrale. Les spires
helicoidales peuvent aussi etre creuses et alimentees de
fluide qui est injecte le long de leur surface superieure dans la chambre
circulaire de reaction. Elles peuvent former une
helice helicoidale continue ou discontinue ou etre fragmentees en fraction de
spires, semblables a des ailettes fixes, orientees
dans le sens ascendant.
Les flux de fluides peuvent etre recycles suivant des schemas adaptes aux
objectifs. Par exemple la figure 7 montre
un schema adapte au sechage de particules solides introduites par le tube (16)
d'un c6te d'une des deux chambres circulaires
de reaction mises en serie et sortant par le tube (19) place a 1'extremite
opposee de la deuxieme chambre, le transfert de ces
particules d'un reacteur a 1'autre se faisant par le conduit de transfert
(91).
Le gaz frais et sec (100) est introduit par le tube (8.1) alimentant le
tronqon annulaire (F) de la chambre d'alimenta-
tion situee du c6te de la sortie (19) des particules solides. Il est rechauffe
au contact des particules solides chaudes qu'il
refroidit tout en achevant leur s6chage avant leur sortie par le tube (19). Ce
gaz est ensuite aspire par le compresseur (101.1)
au travers du tube de sortie (11.1). Il est recycle au travers des unites de
traitement (102.1) et (102.2), par exemple des echan-
geurs thermiques et/ou condenseurs, par les tubes (8.2) et (8.3) dans les
tronqons annulaires (E) et (D). Il est ensuite recycle
successivement par les compresseurs (101.2) et (101.3) dans les tubes de (8.3)
a(8.6) au travers des unites de traitement de
(102.2) a(102.5), dans les tronqons annulaires de (D) a(A), afin d'evacuer
progressivement 1'humidite des particules solides.
Le fluide, qui s'est charge d'humidite et qui a ete refroidi par les
particules solides, qui sont introduites par le tube (16) situe
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du c6te du tube (8.6) et qu'il a rechauffees, est evacue en (103).
Les particules solides peuvent etre des catalyseurs qui catalysent la
transformation chimique du fluide qui traverse
le lit fluidifie. Dans ce cas, le fluide est progressivement transforme. 11
est en contact lors de son premier passage dans le
reacteur avec un catalyseur usage qui peut etre regenere et recycle par des
dispositifs ad6quats, et lors de son dernier passage
avec un catalyseur frais ou regenere et les unites de traitement de (102.1)
a(102.5) peuvent aussi servir a evacuer un compo-
sant indesirable, par exemple par absorption ou condensation.
La figure 8 montre le schema de la coupe longitudinale schematique d'un
reacteur semblable a celui de la figure 1,
mais dont 1'axe de rotation du lit fluidifle est vertical ou fortement incline
et dont la cheminee centrale (7) se termine a une
certaine distance au-dessus du c6te inferieur (4.2). Le bas de la cheminee
centrale peut etre ferme, comme represente sur la
figure 8, ou etre ouvert. Dans ce cas les particules solides qui entrent dans
la cheminee centrale peuvent en etre evacuees par
le bas lors des arrets, mais en cours de fonctionnement, des tourbillons
peuvent y entrainer les particules solides qui s'accu-
mulent dans le bas de la chambre circulaire de reaction.
Cette configuration peut etre avantageuse lorsque la quantite de fluide a
evacuer n'est pas trop elevee. Comme la
surface (18) du lit fluidifie est conique, tres legerement conique sur ce
schema, ce qui suppose une force centrifuge tres ele-
vee, le fluide (13) doit traverser une epaisseur plus importante du lit
fluidifie dans la partie inferieure de la chambre de reac-
tion et donc son temps de residence y est plus eleve. S'il est souhaitable de
1'eviter, la chambre circulaire (2) peut etre aussi
conique pour r6duire cette difference et / ou la quantite de fluide injecte
dans la partie inferieure de la chambre circulaire de
reaction peut etre augmente, par exemple en y augmentant le nombre et / ou la
section des injecteurs de fluide et / ou la pres-
sion dans le tronqon annulaire (C) de la chambre de distribution.
La figure 8 comprend aussi, a titre d'illustration, le schema d'un systeme
d'alimentation du fluide par ejecteur per-
mettant le recyclage d'une fraction de ce fluide sans 1'utilisation d'un
compresseur. Ce schema est utile lorsque le fluide ne
doit etre recycle qu'une ou deux fois et que l'utilisation de compresseurs est
difficile, par exemple a cause de la corrosivite du
fluide ou de temperatures tres elevees, comme par exemple pour la
deshydrogenation de 1'ethylbenzene ou le craquage cata-
lytique d'essence de cracking en olefines legeres.
5 Le fluide d'alimentation (100), eventuellement prechauffe, est injecte sous
pression dans un ejecteur (105), pour
etre injecte (106) a tres grande vitesse dans le tube (10.1) de sortie du
fluide a recycler (11.1) afm de 1'entrainer dans une
unite de traitement (102), par exemple un four, et de le recycler dans le
reacteur par les tubes (8), avant d'etre evacue (11.2)
par le tube (10.2) vers des unites de traitement.
La figure 9 montre le schema de la coupe longitudinale d'un reacteur semblable
a celui de la figure 1, comprenant a
10 chaque extremite de la cheminee centrale un compresseur centrifuge, (108.1)
et (108.2), symbolise par les helices (109.1) et
(109.2), qui sont entrainees par un moteur commun (110) grace a 1'arbre de
transmission (111) qui traverse la cheminee cen-
trale. Le fluide frais (112) est alimente par le tube (8.1) situe du c6te de
la sortie (19) des particules solides, en passant even-
tuellement par une unite de traitement (113), comme par exemple un condenseur
d'humidite. 11 est ensuite recycle un certain
nombre de fois, successivement par les compresseurs (108.1) et (108.2) au
travers des tubes (8.2) et (8.3) et de 1'unite de
traitement (102), comme par exemple un rechauffeur, avant d'etre evacue. Ce
schema tres compact peut etre avantageusement
utilise dans des unites facilement transportables, par exemple pour le sechage
de grains d'origine agricoles.
Les flux de fluide peuvent etre recycles dans les memes tronqons annulaires,
par exemple pour polymeriser les par-
ticules catalytiques en suspension dans des melanges de fluides actifs
contenant le ou les monomeres et pouvant avoir des
compositions et / ou des temperatures differentes d'un tronqon a 1'autre pour
obtenir des polymeres multimodaux et / ou a
large distribution moleculaire.
La figure 10 illustre un schema pouvant servir a ce type d'application. La
chambre d'alimentation et la cheminee
centrale sont divisees en quatre tronqons, respectivement de (A) a(D) et de (A
) a(D ), par les parois transversales de (20.1)
a(20.3) et de (115.1) a(115.3). Ces dernieres peuvent etre prolongees par les
parois transversales annulaires de (116.1) a
(116.3) afin de separer egalement la chambre circulaire de reaction en quatre
tronqons annulaires correspondant aux quatre
tronqons de la chambre d'alimentation et de la cheminee centrale pour mieux
separer les fluides d'un tronqon a 1'autre, a
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11
condition de prevoir des passages de (117.1) a(117.3) dans ces parois
transversales annulaires, de (116.1) a(116.3), le long
de la paroi circulaire, pour permettre le transfert des particules solides
d'un tronqon annulaire a 1'autre et des passages de
(118.1) a(118.3) contre la cheminee centrale ou a 1'interieur de celle-ci pour
permettre le passage de fluide afin d'egaliser les
pressions entre les differents tronqons de la cheminee centrale.
Quatre compresseurs, de (108.1) a(108.4) aspirent les fluides, de (11.1)
a(11.4), des tronqons, de (A ) a(D ), de
la cheminee centrale au travers des tubes concentriques, de (10.1) a(10.4),
pour le recycler dans les chambres d'alimentation,
de (A) a(D), par les tubes de (8.1) a(8.4), en passant par les unites de
traitement, de (92.1) a(92.4), par exemple des echan-
geurs thermiques avec soutirage eventuelle de composants indesirables et / ou
de fluide a purifier avant d'etre recycle. Les
fluides recycles traversent ensuite le lit fluidifie rotatif et penetre dans
les ouvertures d'evacuation de la cheminee centrale, de
(14.1) a(14.4), pour etre recycle a nouveau dans les memes tronqons. Les
fluides frais (119) peuvent etre directement ali-
mentes, en fonction des besoins, par les tubes d'alimentation, de (8.1)
a(8.4).
Si les fluides sont des gaz, il est possible de pulveriser de fines
gouttelettes (120) d'un liquide sur au moins une par-
tie de la surface du lit fluidifle par un ou plusieurs tubes (121) passant par
la cheminee centrale.
* * *
Ces schemas ne peuvent fonctionner que si la quantite de mouvement transmise
par le fluide aux particules solides
est suffisante pour les accelerer au fur et a mesure de leur transfert a
1'interieure de la chambre de reaction a une vitesse
moyenne de rotation, Vp, suffisamment elevee pour que la force centrifuge
compense la pression centripete exercee par le
fluide et pour compenser leurs pertes de moment cinetique dues a la turbulence
et a la fiiction le long des parois.
Il faut en outre que, apres avoir ete ralenti par les particules solides, le
fluide garde une vitesse tangentielle
moyenne suffisante pour eviter un reflux significatif. Par exemple il doit
accomplir une moyenne de plus d'un demi tour
avant de sortir de la chambre de reaction dans les schemas decrits ci-dessus
qui ne contiennent qu'une seule ouverture de
sortie (14) par tronqon et ou le fluide est injecte plus ou moins uniformement
le long de la paroi circulaire.
A titre d'exemple indicatif, la premiere condition peut s'ecrire, pour une
tranche annulaire de la chambre de reac-
tion, de maniere approximative, en negligeant 1'effet des variations de
pression supposees faibles sur la masse specifique du
fluide: Ke* m*(Vi-Vt)*Vi*Ei,= Cc*M*7E*E*(2*R-E)*Kf*Vp (1) ou
Ke, qui peut etre superieur a 1 lorsque le fluide qui vient d'etre injecte est
confine entre un "mur" de particules solides et la
paroi circulaire permettant de convertir une fraction de son energie cinetique
et / ou de sa pression en moment cinetique, est
un coefficient variable d'efflcience de transfert du moment cinetique
tangentiel du fluide vers les particules,
m, Vi et Vt sont respectivement les moyennes de la masse specifique, de la
vitesse d'injection et tangentielle du fluide,
Ei est la somme des epaisseurs (largeurs) des ouvertures de sortie des
injecteurs traversant la tranche annulaire,
Cc et M sont la concentration moyenne et la masse specifique des particules
solides,
E et R sont 1'epaisseur (largeur) moyenne et le rayon de la chambre de
reaction et
Kf est un coefficient variable de friction representant le % du moment
cinetique que doivent recevoir les particules solides
par unite de temps pour atteindre et se maintenir a la vitesse moyenne de
rotation Vp.
La conservation des masses de fluide, en supposant m constant, ce qui est
approximativement correct pour les peti-
tes variation de pression, permet d'ecrire : Ei*Vi z (1-Cc)*E*Vt / a, ou a est
le nombre moyen de tours ou fraction de tours
parcourus par le fluide avant de sortir de la chambre de reaction.
Si Vp= (3*Vt, ou 0<1 est un coefficient de glissement des particules solides
dans le fluide, 1'equation (1) devient:
(1-Cc) / a zEi / E + X*(2 - E / R) (2), ou X= 7E*R*(3*Cc*Kf*M / (Ke*m*Vi).
La deuxieme condition peut s'ecrire a> a , ou a , generalement proche de'/2,
est le nombre minimum de fraction
de tours que le fluide doit accomplir en moyenne autour de la cheminee
centrale pour eviter un reflux permettant d'entrainer
une quantite trop elevee de particules dans la cheminee. L'equation (2) permet
d'ecrire :
X=7E*R*(3*Cc*Kf*M / (Ke*m*Vi) <[(1 - Cc) / a - Ei / E] / (2 - E / R) (3), et
de preference plus petit que 1.
Ceci montre que, lorsque le rapport des masses speciflques M/m est tres eleve,
ce qui est generalement le cas lorsque le
fluide est un gaz a une pression proche de la pression atmospherique, le
produit des rapports (R / Vi) * (Cc*Kf / Ke) doit etre
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tres petit, ce qui necessite un rapport Cc*Kf / Ke d'autant plus petit et / ou
une vitesse d'injection du fluide, Vi, d'autant plus
grande que le rayon R est grand. Il est donc necessaire d'avoir une grande
efficience de transfert de moment cinetique du
fluide vers les particules solides et une faible friction entre les particules
solides et la paroi circulaire pour obtenir des concen-
trations moyennes de particules solides acceptables dans des reacteurs de
taille industrielle utilisant des gaz a des pressions
proches de la pression atmospherique.
En outre, il faut encore que la force centrifuge exercee sur les particules
solides soit superieure a la pression centri-
pete du fluide, approximativement proportionnelle au carre de la vitesse
radiale moyenne, Vr, du fluide a proximite de la
paroi circulaire, afm d'empecher un trop grand nombre de particules de
s'approcher de la paroi de la cheminee centrale (3) en
amont de la sortie (14) ou du deflecteur (40). Ceci peut s'ecrire, en premiere
approximation : Vr < Vc*Vp/ (g*R)'/2 (4); ou
g est 1'acceleration de la pesanteur et Vc est la vitesse ascensionnelle
critique, d'autant plus petite que la taille des particules
solides est petite, a ne pas depasser pour obtenir un lit fluidifie dense,
s'il n'est equilibre que par la force de la pesanteur.
La conservation des masses du fluide, pour de faibles variations de pression
qui permettent de negliger les varia-
tions de densite du fluide, permet d'ecrire : 2*7E*R*Vr z E*Vt / a et
1'inegalite (4) devient approximativement:
E < 2*7E*a*(3*Vc*(R / g)1/2 < 2*a*Vc*(R)'/2 (5) si R et Vc sont exprimes en m
et m/s.
Cette inegalite indique que 1'epaisseur moyenne maximum de la chambre de
reaction ne peut augmenter que proportionnel-
lement a la racine carree de R, lorsque la vitesse critique, Vc, et donc la
taille des particules solides sont tres petites et qu'il
est preferable d'utiliser des chambres de reaction de petit diametre, s'il
n'est pas souhaitable d'avoir un rapport E/R tres petit.
S'il est souhaitable de faire traverser le lit fluidifie par un flux maximum
de fluide lorsque la vitesse maximum
d'injection du fluide, Vi, est limitee, il faut augmenter la section totale,
Ei, des injecteurs de fluide. Si la vitesse critique, Vc,
est petite, les conditions ci dessus permettent de determiner que 1'optimum
est atteint lorsque 1'epaisseur (largeur) moyenne de
la chambre de reaction est environ de:
E = 2 * 7E * a * 0 * Vc * (R / g)'/2 (6) et que Ei = E * [(1-Cc) / a - X *
(2 - E / R)] (7).
Ou, en premiere approximation, a etant generalement proche de 0,5 et 0 proche
de 1, il est souhaitable que :
E/ R< Vc /(R)'/2 (8) exprimes en m et m/s, et Ei / E< 2*(1 - Cc) - X*(2 - E/
R) (9) ce qui impose un
X petit et donc generalement une grande vitesse d'injection, Vi, lorsque Vc et
donc E / R sont petits, car les particules solides
sont petites.
Mais, pour eviter d'etre aux conditions limites, dans la pratique, il est
souhaitable d'utiliser, pour les estimations
d'epaisseurs (largeur) optimum de la chambre de reaction et des injecteurs de
gaz, une concentration moyenne, Cc, des parti-
cules solides et / ou une vitesse theorique d'injection du fluide, Vi,
respectivement superieure aux concentrations de particu-
les solides et inferieure aux vitesses d'injection du fluide qu'il est prevu
d'utiliser.
EXEMPLES INDICATIFS
Une simulation numerique montre qu'on peut atteindre une concentration moyenne
de Cc=30% de particules soli-
des de tres petite dimension, ayant une vitesse critique de Vc = 0,4 m/s, avec
une bonne separation du fluide et des particules
solides, dans une chambre de reaction de 0,4 m de diametre avec une cheminee
centrale de 0,14 m de diametre n'ayant
qu'une seule ouverture d'evacuation, en injectant de 1'air a la pression
atmospherique a une vitesse de 30 m/sec au travers de
8 injecteurs de 0,004 m d'epaisseur (largeur) de sortie chacun, le fluide
n'accomplissant en moyenne qu'environ une demi
revolution autour de la cheminee centrale avec un temps de residence du fluide
dans le reacteur d'environ 1/10e" de seconde.
La vitesse moyenne tangentielle estimee des particules solides et celle du gaz
varient respectivement d'environ 4,6 a 4 m/s et
de 5,5 a 5 m/s et le coefficient X et le produit de Cc*Kf / Ke varient
seulement de 0,9 a 1 et de 7%/s a 8%/s, lorsque la
concentration des particules solides est augmentee progressivement de 10 a
30%, confirmant que 1'efflcience du transfert de
moment cinetique du fluide vers les particules solides s'ameliore lorsque la
concentration des particules solides, et donc des
"murs" de particules solides canalisant le fluide, augmente. Les pertes de
particules solides par la cheminee centrale apparais-
sent et augmentent rapidement lorsque la concentration moyenne des particules
solides approche des 28% et que le coeffi-
cient X est proche de 1.
Si le nombre d'injecteurs du fluide est reduit a 4, le produit de Cc*Kf / Ke
devient environ 2,5 fois plus eleve, ce
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qui impose 1'augmentation de la vitesse d'injection du gaz Vi a 60 m/sec pour
que le coefficient X reste en dessous de 1 et les
pertes de particules solides par la cheminee centrale deviennent importantes a
partir d'une concentration de 25%, ce qui
confirme la necessite d'avoir un grand nombre d'injecteurs du gaz lorsque le
rapport M/m est tres eleve. Et si on augmente le
nombre d'ouvertures d'evacuation dans la cheminee centrale, les pertes de
particules solides deviennent deja significatives
avec des concentrations encore moins elevees, ce qui confirme 1'interet de
n'avoir qu'une seule ouverture d'evacuation par
tranche transversale de la cheminee centrale.
Si le rapport entre la masse specifique des particules solides et du fluide
est 25 fois plus petit, par exemple en aug-
mentant la pression a 25 atmospheres, le fluide toume environ 5 fois plus vite
en accomplissant en moyenne plus de 2 revo-
lutions autour de la cheminee centrale avant d'y entrer et la force centrifuge
est environ 25 fois plus elevee. Ceci permet donc
d'augmenter la concentration des particules solides et / ou de diminuer la
vitesse d'injection du fluide et / ou d'augmenter le
diametre de la chambre de reaction tout en gardant une tres bonne separation
du fluide et des particules solides. La perfor-
mance peut egalement etre amelioree si le coefficient de friction, Kf, est
plus petit et si le coefficient d'efflcience de transfert
de moment cinetique, Ke, est plus grand, ce qui peut etre obtenu en augmentant
le nombre d'injecteurs du fluide et en amelio-
rant le profil des inj ecteurs et de la chambre circulaire.
Si le fluide est un liquide legerement plus leger que les particules solides,
son nombre de revolutions, sa vitesse de
rotation et la force centrifuge augmente encore, ce qui permet de garder une
separation acceptable du fluide et des particules
solides, meme si la vitesse critique Vc est beaucoup plus petite en raison de
la faible difference des masses specifiques.
Ces exemples montrent que ce n'est que lorsque le rapport entre la masse
specifique des particules solides et du
fluide est de plusieurs centaines, qu'il faut des vitesses d'injection du ou
des fluides tres superieures a la vitesse de rotation
souhaitee des particules solides et / ou que la chambre de reaction ait un
petit diametre.
Le dispositif de la presente invention peut etre applique a des procedes
industriels de polymerisations catalytiques,
de sechage, d'impregnation, d'enrobage, de torrefaction ou d'autres
traitements de particules solides en suspension dans un lit
fluidifie ou de craquage, de deshydrogenation ou d'autres transformations
catalytiques de fluides ou melanges de fluides
traversant un lit fluidifie.
EXEMPLE DE PROCEDE UTILISANT CE DISPOSITIF
CONVERSION D'ESSENCES DE CRACKING EN OLEFINES LEGERES
La chambre de reaction cylindrique illustree par la figure 8 peut avoir, a
titre indicatif, 1 m de diametre, 4,5 m de
longueur et 0,23 m d'epaisseur (largeur) moyenne, ce qui lui donne un volume
d'environ 2,5 m3. Le fluide (100), constitue
d'essences de cracking prechauffees a temperature elevee, d'une masse
specifique, a la temperature et a la pression d'injec-
tion, d'environ 5 kg/m3, est injecte a grande vitesse (par exemple 200 a 300
m/s, donnent une pression potentielle de 100 a
200 000 Pa) dans 1'ejecteur (105) pour etre surchauffe a la temperature
souhaitee (plus de 600 C), en meme temps que le
fluide recycle qu'il entraine dans le four (102) et ensuite dans la chambre de
reaction, ou ils sont injectes, par exemple, a une
vitesse de 60 m/s au travers de 17 fentes d'injection de 0,005 m d'epaisseur,
donnant un debit d'environ 23 m3/s, soit 400
tonnes par heure. (Ce debit eleve n6cessite une cheminee centrale traversant
la chambre de reaction pour pouvoir evacuer le
fluide des 2 c6tes et le reacteur peut etre horizontal ou vertical.) Si la
quantite de fluide qui est recycle est d'environ 50%, le
debit d'alimentation d'essences de cracking est d'environ 200 tonnes par heure
et son temps moyen de residence dans la
chambre de reaction est d'environ deux fois un dixieme de seconde.
Si Cc*KPM/m*Ke z 30, ce qui donne Xz 0,7, la poudre de catalyseur, qui est
alimentee par le tube (16) est en-
trainee par le fluide a une vitesse moyenne de rotation, Vp, d'environ 13 m/s,
donnant une force centrifuge de 35 fois la pe-
santeur, generant une pression sur la paroi cylindrique d'environ 30 000 Pa et
permettant au fluide de traverser le lit fluidifie a
une vitesse de plus de 2 m/s. La poudre de catalyseur est evacuee par le tube
(19) et peut etre aisement recyclee apres regene-
ration, avec un temps de cycle pouvant etre de quelques minutes a de
nombreuses heures.
SECHAGE DE GRAINS AGRICOLES
Le s6chage de grains d'origine agricole peut se faire suivant le schema de la
figure 9. La chambre de reaction ou
chambre de sechage peut avoir les memes dimensions que celles de 1'exemple ci-
dessus. Dans ce cas, 1'air frais (112) est
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introduit par le tube (8.1), eventuellement au travers d'un condenseur
d'humidite (113), pour traverser 1'extremite de la cham-
bre de reaction situee du c6te de la sortie des grains (19) afin de se
rechauffer en les refroidissant et en achevant leur s6chage.
Cet air (11.1) est ensuite aspire par le compresseur ou ventilateur centrifuge
(108.1) au travers de la conduite (10.1) et recycle
dans le reacteur par la conduite (8.2) apres avoir ete chauffe davantage dans
le rechauffeur (102). Apres avoir ete recycle
plusieurs fois, cet air (11.2) est aspire par le compresseur ou ventilateur
centrifuge (108.2) au travers de la conduite (10.2) et
recycle dans le reacteur par la conduite (8.3) apres avoir ete rechauffe par
le rechauffeur (102). Apres avoir ete a nouveau
recycle quelque fois, cet air charge d'humidite et refroidi par les grains,
qui sont alimentes par la conduite (16) et qu'il a re-
chauffes, est evacue en (114).
L'air etant aspire par les compresseurs ou ventilateurs, la pression dans le
reacteur est inferieur a la pression atmos-
pherique, ce qui est favorable au s6chage et des moyens m6caniques peuvent
aisement transferer les grains seches pour un
stockage a la pression atmospherique. L'air peut etre injecte dans la chambre
de s6chage au meme debit de 23 m3/s de 1'exem-
ple ci-dessus, soit environ 100 tonnes par heure. S'il est recycle 5 a 10
fois, cela donne une quantite d'air frais de 10 a 20
tonnes par heure et un temps de contact avec les grains d'environ 5 a 10 fois
0,1 seconde.
La quantite de grains dans la chambre de sechage peut etre d'environ 500 kg,
ce qui donne un temps de sejour
moyen de 90 secondes pour le sechage de 20 tonnes par heure, ce qui peut etre
suffisant compte tenu de la vitesse elevee et de
la faible pression de 1'air et de la possibilite de travailler a des
temperatures plus elevee grace a la brievete du temps de sejour
et du refroidissement des grains avant leur sortie du reacteur.
Cet ensemble peut etre realise de maniere compacte et facilement
transportable, ce qui montre 1'avantage de pou-
voir faire traverser un lit fluidifie dense par de tres grande quantite de
fluide a vitesse elevee grace a la force centrifuge.
COPOLYMERISATION D'ETHYLENE ET D'OCTENE EN PHASE GAZEUSE
La copolymerisation de 1'ethylene et de 1'octene n'est possible en phase
gazeuse que si la pression dans le reacteur
est faible, au maximum quelques fois la pression atmospherique, car la
pression partielle de 1'octene est limitee a environ 0,2
atmospheres a 70 C. A ces pressions, la quantite de calories produites par ces
reactions tres exothermiques ne peut etre
evacuee qu'en utilisant des catalyseurs peu actifs ou en diluant le melange de
gaz actifs avec un gaz inactif pour ralentir la
vitesse de reaction, ce qui augmente le cout de 1'installation, ou en faisant
traverser le lit fluidifie par une telle quantite de gaz
que cela necessite un lit fluidifie rotatif, par exemple suivant le schema
d6crit dans la figure 10.
L'octene peut etre pulverise en fines gouttelettes (120) dans la chambre de
reaction par le tube (121) qui passe par la
cheminee centrale et / ou etre alimente sous la forme gazeuse en meme temps
que 1'ethylene frais (119) et le fluide recycle
par un ou plusieurs des tubes de (8.1) a(8.4).
A titre indicatif, la chambre de reaction cylindrique peut, par exemple, avoir
un diametre de 1,6 m; 10 m de long et
de 0,32 m d'epaisseur, comprenant 29 fentes d'injection de 0,005 m
d'epaisseur, permettant 1'injection d'environ 50 m3/s de
fluides actifs, si la vitesse d'injection du fluide est de 35 m/s. Si la
pression est d'environ 3 fois la pression atmospherique, ce
qui permet une concentration d'environ 20% en poids d'octene, le flux de
fluides actifs recycles est d'environ 700 tonnes par
heure, ce qui permet d'evacuer la chaleur de polymerisation d'environ 10 a 20
tonnes par heure de polymere. La quantite de
polymere dans la chambre de reaction dont le volume est d'environ 12 m3 est
d'environ 3 tonnes, ce qui donne un temps de
residence des particules de polymere dans la chambre de reaction de 10 a 15
minutes, ce qui permet d'employer des cataly-
seurs tres actifs. La vitesse de rotation des particules de polymere peut etre
d'environ I 1 m/s, ce qui donne une force centri-
fuge d'environ 16 fois la pesanteur, ce qui permet de traverser le lit
fluidifie avec une vitesse radiale de plus de 1,5 m/s en 0,2
secondes environ.
Ce reacteur peut etre mis en serie, par exemple a la suite d'un autre reacteur
pouvant travailler a des pressions beau-
coup plus elevees sans comonomere ou avec des comonomeres plus legers, afin
d'obtenir des polymeres multimodaux. 11
permet egalement de faire varier progressivement la composition et / ou la
temperature du fluide traversant le lit fluidifie
rotatif.
IMPREGNATION OU ENROBAGE DE PARTICULES SOLIDES
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Le schema de la figure 10 peut aussi etre utilise pour 1'impregnation ou
1'enrobage de particules solides. Le fluide
servant a 1'impregnation ou 1'enrobage peut etre pulverise sous forme de fines
gouttelettes (120) dans la partie de la chambre
de reaction qui est situee du c6te de 1'alimentation des particules solides
par le tube (16). Ces particules sont ensuite sechees
dans les tronqons annulaires successifs de la chambre circulaire de reaction
et les composants servant a 1'impregnation ou
1'enrobage des particules solides peuvent meme etre cuits, si la temperature
du fluide recycle est suffisamment elevee et les
particules solides peuvent etre recyclees par un dispositif adequat, s'il est
necessaire d'appliquer plusieurs couches d'enrobage.
