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DISPOSITF COMPACT DE MELANGE ET DE DISTRIBUTION COMBINE DE FLUIDES POUR UN
REACTEUR
CATALYTIQUE
Domaine technique
La présente invention s'applique dans le domaine des réactions exothermiques
et plus
particulièrement aux réactions d'hydrotraitement, d'hydrodésulfuration,
d'hydrodéazotation,
d'hydrocraquage, d'hydrogénation, d'hydrodéoxygénation ou encore
d'hydrodéaromatisation
réalisées dans un réacteur en lit fixe. L'invention concerne plus
particulièrement un dispositif
de mélange et de distribution de fluides dans un réacteur à écoulement
descendant et son
utilisation pour la réalisation de réactions exothermiques.
Etat de la technique
Les réactions exothermiques réalisées par exemple en raffinage et/ou en
pétrochimie
nécessitent d'être refroidies par un fluide additionnel, appelé fluide de
trempe, pour éviter un
emballement thermique du réacteur catalytique dans lequel elles sont
effectuées. Les
réacteurs catalytiques utilisés pour ces réactions comprennent généralement au
moins un lit
de catalyseur solide. Le caractère exothermique des réactions nécessite de
conserver un
gradient de température homogène au sein du réacteur afin d'éviter l'existence
de points
chauds dans le lit de catalyseur compris dans le réacteur. Des zones trop
chaudes peuvent
diminuer prématurément l'activité du catalyseur et/ou conduire à des réactions
non sélectives
et/ou conduire à des emballements thermiques. Il est donc important de
disposer d'au moins
une chambre de mélange dans un réacteur, située entre deux lits de catalyseur,
qui permette
une répartition homogène en température des fluides sur une section de
réacteur et un
refroidissement des fluides réactionnels à une température désirée.
Pour effectuer cette homogénéisation l'homme de l'art est souvent conduit à
utiliser un
agencement spécifique d'internes souvent complexes comportant une introduction
du fluide
de trempe la plus homogène possible dans la section du réacteur. Par exemple,
le document
FR 2 824 495 Al décrit un dispositif de trempe permettant d'assurer un échange
efficace
entre le ou les fluide(s) de trempe et le ou les fluide(s) du procédé. Ce
dispositif est intégré
dans une enceinte et comprend une canne d'injection du fluide de trempe, un
baffle de
collecte des fluides, la boite de trempe proprement dite, opérant le mélange
entre le fluide de
trempe et l'écoulement descendant, et un système de distribution composé d'une
cuvette
perforée et d'un plateau de distribution. La boîte de trempe comporte un
déflecteur assurant
la mise en mouvement tourbillonnaire des fluides selon une direction
sensiblement non
radiale et non parallèle à l'axe de ladite enceinte et en aval du déflecteur,
dans le sens de
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circulation du fluide réactionnel, au moins une section de passage de sortie
du mélange de
fluides formé dans la boîte. Ce dispositif permet de pallier certains
inconvénients des
différents systèmes de l'art antérieur mais reste encombrant.
Pour remédier au problème d'encombrement, un dispositif de mélange de fluides
dans un
réacteur à écoulement descendant a été développé, et est décrit dans le
document FR 2 952
835 Al. Ce dispositif comprend un moyen de collecte horizontal pourvu d'une
conduite de
collecte verticale pour recevoir les fluides, un moyen d'injection placé dans
la conduite de
collecte, et une chambre de mélange annulaire de section circulaire située en
aval du moyen
de collecte dans le sens de circulation des fluides. La chambre de mélange
comprend une
extrémité d'entrée reliée à la conduite de collecte et une extrémité de sortie
permettant le
passage des fluides, ainsi qu'un plateau de pré-distribution horizontal
comprenant au moins
une cheminée. L'avantage de ce dispositif est qu'il est plus compact que celui
décrit
précédemment, et permet d'assurer un bon mélange des fluides et une bonne
homogénéité
en température.
1.5 Un but
de l'invention est de proposer un dispositif de mélange et un dispositif de
distribution
de fluides peu encombrants lorsqu'ils sont placés dans un réacteur
catalytique. Un autre but
de la présente invention est de proposer un dispositif de mélange et de
distribution ayant une
bonne efficacité de mélange de fluides et présentant une bonne homogénéité en
température, et une bonne distribution.
La Demanderesse a mis au point un dispositif de mélange et de distribution de
fluides
combiné, permettant de diminuer de manière significative l'espace dédié au
mélange et à la
distribution de fluides notamment dans un réacteur à écoulement descendant.
Objets de l'invention
Un premier objet de l'invention concerne un dispositif de mélange et de
distribution de fluides
pour un réacteur catalytique à écoulement descendant, ledit dispositif
comprenant :
- au moins une zone de collecte (A) comprenant au moins un moyen de
collecte ;
- au moins une conduite de collecte sensiblement verticale apte à recevoir un
fluide
réactionnel collecté par ledit moyen de collecte et au moins un moyen
d'injection
débouchant dans ladite conduite de collecte pour injecter un fluide de trempe
;
- au moins une zone de mélange (B), située en aval du moyen de collecte dans
le sens de
circulation des fluides, ladite zone de mélange (B) comprenant au moins une
chambre
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de mélange reliée à ladite conduite de collecte et une extrémité de sortie
pour évacuer
les fluides ;
- au moins une zone de distribution (C), située en aval de ladite zone
de mélange (B)
dans le sens de la circulation des fluides, comprenant un plateau de
distribution
supportant une pluralité de cheminées ;
caractérisé en ce que ladite zone de mélange (B) est située au même niveau que
la zone de
distribution (C), lesdites zones de mélange (B) et de distribution (C) étant
délimitées par au
moins une paroi annulaire comprenant au moins une section de passage latéral
apte au
passage des fluides de ladite zone de mélange (B) à ladite zone de
distribution (C).
De préférence, ladite zone de mélange (B) est comprise dans une enceinte
annulaire
comprenant ladite paroi annulaire.
Avantageusement, ladite paroi annulaire délimite intérieurement ladite zone de
distribution
(C).
De préférence, ladite paroi annulaire est positionnée à une distance d2 de
l'enceinte du
réacteur, la distance d2 variant de 2 % à 20 % du diamètre du réacteur.
Avantageusement, ladite chambre de mélange est positionnée à une distance dl
de
l'enceinte du réacteur, la distance dl étant comprise entre 5 et 300 mm.
De préférence, la hauteur de ladite enceinte annulaire est comprise entre 200
et 800 mm.
Avantageusement, la paroi annulaire comprend une pluralité de sections de
passage latéral
réparties sur au moins deux niveaux.
De préférence, ladite paroi annulaire est sensiblement cylindrique.
Dans un mode de réalisation selon l'invention, la section de ladite chambre de
mélange est
de section en parallélogramme et présente un rapport entre la hauteur h de
la section et
la largeur I de ladite section est compris entre 0,2 et 5,0.
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Dans un mode de réalisation particulier selon l'invention, ladite zone de
mélange (B)
comprend deux chambres de mélange diamétralement opposées dans ladite zone de
mélange (B).
Avantageusement, les cheminées situées en périphérie de ladite zone de
distribution (C)
sont prolongées en-dessous du plateau de distribution et sont coudées, l'angle
de coudage
a, pris entre l'axe longitudinal du prolongement des cheminées en dessous
dudit plateau de
distribution (12) et le plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de
l'enceinte, étant compris
entre 0 et 90 degrés.
De préférence, le dispositif selon l'invention comprend en outre un système
dispersif disposé
en-dessous dudit plateau de distribution, ledit système dispersif comprenant
un moins un
dispositif de dispersion.
Avantageusement, ledit dispositif de dispersion est une grille comprenant au
moins un
système de guidage apte à collecter et à transporter au moins une partie du
flux du liquide
issu de ladite zone de distribution (C).
De préférence, lesdites zones de mélange (B) et de distribution (C) sont
délimitées par deux
parois annulaires comprenant chacune au moins une section de passage latéral
apte au
passage des fluides de ladite zone de mélange (B) à ladite zone de
distribution (C).
Un autre objet de l'invention concerne un réacteur catalytique à écoulement
descendant
comportant une enceinte renfermant au moins deux lits fixes de catalyseur
séparés par une
zone intermédiaire comportant un dispositif de mélange et de distribution de
fluides selon
l'invention.
Description des figures
La figure 1 représente une coupe axiale d'un réacteur catalytique à écoulement
descendant
comprenant au moins deux lits de catalyseur solide, et comprenant un
dispositif compact de
mélange et de distribution de fluides selon l'art antérieur. La flèche en gras
représente le
sens d'écoulement des fluides dans le réacteur.
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La figure 2 représente une coupe axiale d'un réacteur catalytique à écoulement
descendant
comprenant au moins deux lits de catalyseur solide, et comprenant un
dispositif compact de
mélange et de distribution de fluides selon une variante de réalisation selon
l'invention. La
flèche en gras représente le sens d'écoulement des fluides dans le réacteur.
Dans la figure
5 2, par souci de clarté, la chambre de mélange n'a pas été représentée.
La figure 3 représente une section du dispositif compact de mélange et de
distribution de
fluides selon la coupe représentée par la ligne X-X' en pointillé sur la
figure 2.
La figure 4 représente une coupe axiale du dispositif de mélange et de
distribution selon la
figure 2.
La figure 5 est une vue en perspective d'une partie du dispositif de mélange
et de distribution
selon la figure 2.
Les figures 6a, 6b et 6c représentent des variantes de réalisation du
dispositif de mélange et
de distribution selon la figure 2.
La figure 7 est une représentations schématique d'une variante de réalisation
du dispositif de
mélange et de distribution selon l'invention.
Description détaillée de l'invention
Le dispositif compact de mélange et de distribution selon l'invention est
utilisé dans un
réacteur dans lequel s'effectuent des réactions exothermiques telles que des
réactions
d'hydrotraitement, d'hydrodésulfu ration,
d'hydrodéazotation, d'hydrocraquage,
d'hydrogénation, d'hydrodéoxygénation ou encore d'hydrodéaromatisation.
Généralement, le
réacteur a une forme allongée le long d'un axe sensiblement vertical. On fait
circuler du haut
vers le bas dudit réacteur au moins un fluide réactionnel (appelé aussi
process fluid selon
la terminologie anglo-saxonne) à travers au moins un lit fixe de catalyseur.
Avantageusement, en sortie de chaque lit à l'exception du dernier, le fluide
réactionnel est
recueilli puis est mélangé à un fluide de trempe (appelé aussi quench fluid
selon la
terminologie anglo-saxonne) dans ledit dispositif avant d'être distribué au
lit de catalyseur
situé en aval d'un plateau de distribution. L'aval et l'amont sont définis par
rapport au sens de
l'écoulement du fluide réactionnel. Le fluide réactionnel peut être un gaz ou
un liquide ou un
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mélange contenant du liquide et du gaz ; cela dépend du type de réaction
effectuée dans le
réacteur.
De manière à mieux comprendre l'invention, la description donnée ci-après à
titre d'exemple
d'application concerne un dispositif de mélange et de distribution utilisé
dans un réacteur
adapté pour les réactions d'hydrotraitement. La description de la figure 1 se
rapporte à un
dispositif de mélange et de distribution selon l'art antérieur, la description
des figures 2 à 7
se rapporte à un dispositif de mélange et de distribution selon l'invention.
Les figures 2 à 7
reprennent certains éléments de la figure 1 ; les références des figures 2 à 7
identiques à
celles de la figure 1 désignent les mêmes éléments. Bien entendu, le
dispositif selon
l'invention peut, sans sortir du cadre de l'invention, être utilisé dans tout
réacteur ou dispositif
et dans tout domaine où il est souhaitable d'obtenir un bon mélange, matière
et/ou thermique
et une bonne distribution de fluides.
La figure 1 illustre un dispositif de mélange et de distribution selon l'art
antérieur disposé
dans un réacteur 1 de forme allongée le long d'un axe sensiblement vertical
dans lequel on
fait circuler du haut vers le bas au moins un fluide réactionnel à travers
deux lits de
catalyseur 2 et 14. Le fluide réactionnel peut être un gaz (ou un mélange de
gaz) ou un
liquide (ou un mélange de liquide) ou un mélange contenant du liquide et du
gaz. Le
dispositif de mélange et de distribution est disposé sous le lit de catalyseur
2, par rapport à
l'écoulement du fluide réactionnel dans l'enceinte 1. Une grille de support 3
permet de porter
le lit de catalyseur 2 de manière à dégager un espace de collecte (A) sous
celui-ci (appelé
aussi ici zone de collecte (A)). La hauteur H1 de l'espace de collecte (A) est
typiquement
entre 10 et 300 mm. Cet espace de collecte ou zone de collecte (A) permet de
collecter
l'écoulement issu du lit de catalyseur 2 au niveau du moyen de collecte 5. Le
moyen de
collecte 5, aussi appelé baffle, est une plaque pleine uniquement ouverte en
un
emplacement 6 pour drainer l'écoulement du fluide vers la chambre de mélange
annulaire 9.
Le fluide réactionnel issu du lit 2 est ainsi contraint dans la zone de
collecte (A) à passer par
la conduite de collecte verticale 7 qui communique avec l'ouverture 6. Un
fluide de trempe
est injecté dans la conduite de collecte 7 via une conduite d'injection 8. Le
fluide de trempe
peut être liquide ou gazeux ou mélange contenant du liquide ou du gaz. Ladite
chambre 9 est
reliée par son extrémité d'entrée à la conduite de collecte 7. Le fluide de
trempe et le fluide
réactionnel issu du lit supérieur 2 sont ainsi forcés à emprunter ladite
chambre 9 dans
laquelle ils se mélangent en subissant un écoulement rotatif. En sortie de
ladite chambre, le
mélange des fluides s'écoule sur le plateau de pré-distribution 11 situé en
aval de la chambre
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de mélange 9, dans le sens de la circulation des fluides. Typiquement, la
hauteur H2 (cf.
figure 1) prise entre le moyen de collecte 5 et la plaque de pré-distribution
11 est comprise
entre 300 et 600 mm. La chambre de mélange 9 est positionnée à la périphérie
du réacteur.
Les phases gaz et liquide du mélange se séparent sur la plaque perforée 11,
qui est munie
d'une ou plusieurs cheminées centrales 4 configurées pour permettre le passage
du gaz. Le
liquide passe par les perforations de la plaque pour former un écoulement de
type pommeau
de douche ou pluie. Le rôle de la plaque perforée 11 est de distribuer
l'écoulement sortant de
la chambre de mélange 9 pour alimenter le plateau de distribution 12 de
manière
relativement équilibrée, ledit plateau de distribution 12 étant positionnée en
aval de la plaque
de distribution, dans le sens de la circulation des fluides. Typiquement, la
hauteur H3 (cf.
figure 1) mesurée entre la plaque de pré-distribution 11 et le plateau de
distribution 12 est
comprise entre 100 et 700 mm. Le plateau de distribution 12, comprend des
cheminées 13,
ayant pour rôle de redistribuer les phases gaz et liquide en entrée du lit de
catalyseur 14
situé en aval de ce plateau de distribution.
Le dispositif de mélange et de distribution selon l'art antérieur comprend
donc une zone de
mélange et une zone de distribution positionnées l'une au-dessus de l'autre,
de manière
étagée. Le mélange des fluides est réalisé sur une hauteur H2 et la
distribution des fluides
est réalisée sur une hauteur H3. Par conséquent, l'encombrement total H dans
l'enceinte 1
d'un dispositif de mélange et de distribution selon l'art antérieur est égal à
H1 + H2 + H3 (cf.
figure 1).
La demanderesse a mis au point un nouveau dispositif de mélange et de
distribution de
fluides, plus compact que celui décrit précédemment, et présentant un bon
mélange des
phases et une bonne distribution sur le lit de catalyseur situé en-dessous de
tels dispositifs.
La figure 2 représente un dispositif de mélange et de distribution selon
l'invention disposé
dans un réacteur 1 de forme allongée le long d'un axe sensiblement vertical
dans laquelle on
fait circuler du haut vers le bas au moins un fluide réactionnel à travers au
moins un lit de
catalyseur 2. Le dispositif selon l'invention est disposé sous le lit de
catalyseur 2, par rapport
à l'écoulement du fluide réactionnel dans l'enceinte 1. Une grille de support
3 permet de
supporter le lit de catalyseur 2 de manière à dégager une zone de collecte (A)
disposée sous
le lit de catalyseur 2. La zone de collecte (A) est nécessaire pour permettre
le drainage du
fluide réactionnel jusqu'à une conduite de collecte 7 (qui sera décrite ci-
après). Le fluide
réactionnel qui s'écoule est par exemple composé d'une phase gaz et d'une
phase liquide.
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Plus particulièrement, le fluide réactionnel traversant le lit de catalyseur 2
en amont est
collecté par un moyen de collecte 5 (appelé aussi ici baffle de collecte)
sensiblement
horizontal conduisant à une conduite de collecte 7 sensiblement verticale,
disposée soit en-
dessous de la zone de collecte (A) au niveau d'une zone appelée zone de
mélange (B) (telle
que représentée en figure 2), soit au niveau de la zone de collecte (A) (non
représentée sur
les figures). Par sensiblement vertical(e) et par sensiblement horizontal(e),
on entend au
sens de la présente invention une variation d'un plan avec la verticale,
respectivement
l'horizon, d'un angle O compris entre 5 degrés. Le moyen de collecte 5 est
constitué d'une
plaque pleine disposée dans le plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de
l'enceinte sous la
grille de support 3 du lit de catalyseur 2. La plaque du moyen de collecte 5
s'étend
radialement sur toute la surface du réacteur 1. Elle comporte à son extrémité
une ouverture 6
à laquelle est reliée ladite conduite de collecte 7. Le moyen de collecte 5
permet de recueillir
l'écoulement du fluide réactionnel provenant du lit catalytique 2 en amont et
de le diriger vers
ladite conduite de collecte 7. Le moyen de collecte 5 est distant de la grille
de support 3 du lit
de catalyseur 2 d'une hauteur H'1 (figure 4). La hauteur H'1 est choisie de
manière à limiter
la perte de charge lors de la collecte du fluide s'écoulant du lit de
catalyseur 2 et à limiter la
hauteur de garde, i.e. la hauteur formée par le liquide accumulé dans le moyen
de collecte 5.
La hauteur de garde ne modifie pas le drainage du fluide réactionnel vers la
conduite de
collecte 7, ni son écoulement dans cette conduite, ni son écoulement à travers
le lit
catalytique supérieur 2. Lorsque la conduite de collecte 7 et le moyen
d'injection 8 sont situés
au niveau de la zone de mélange (B), la hauteur H'1 est comprise entre 10 et
200 mm, de
préférence entre 30 et 150 mm, de manière encore plus préférée entre 40 et 100
mm. Ainsi,
le fluide réactionnel issu du lit 2 est contraint dans la zone de collecte (A)
à passer par la
conduite de collecte verticale 7. Lorsque la conduite de collecte 7 et le
moyen d'injection 8
sont situés au niveau de la zone de collecte (A), la hauteur Hl est comprise
entre 10 et 400
mm, de préférence entre 30 et 300 mm, et encore plus préférentiellement entre
50 et
250 mm.
En-dessous de la zone de collecte (A) se trouve une zone de mélange (B) et une
zone de
distribution (C). La zone de mélange (B) comprend une chambre de mélange 9
(cf. figures 3
et 5) située en aval du moyen de collecte 5 dans le sens de circulation des
fluides. La
chambre de mélange 9 comprend une extrémité d'entrée directement reliée à la
conduite de
collecte 7 et une extrémité de sortie 10 pour évacuer les fluides (cf. figures
3 et 5). Les
considérations techniques de la conduite de collecte 7 et du moyen d'injection
8 sont
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identiques de celles du dispositif de mélange et de distribution selon l'art
antérieur. La zone
de distribution (C) quant à elle comprend un plateau de distribution 12
supportant une
pluralité de cheminées 13.
Une caractéristique de la présente invention réside dans la mise en place de
la zone de
mélange (B) au même niveau que la zone de distribution (C), lesdites zones de
mélange (B)
et de distribution (C) étant délimitées par au moins une paroi annulaire 16
comprenant au
moins une section de passage latéral apte au passage des fluides de ladite
zone de mélange
(B) à ladite zone de distribution (C).
Dans une première variante de réalisation de l'invention, la zone de mélange
(B) est
positionnée dans une enceinte annulaire 15 comprenant ladite paroi annulaire
16, en
périphérie de l'enceinte du réacteur, agencée de manière concentrique à
l'enceinte du
réacteur, et délimitant intérieurement la zone de distribution (C) par ladite
paroi annulaire 16,
de préférence sensiblement cylindrique, laquelle paroi annulaire comprend au
moins une
section de passage latéral 17a ou 17b apte au passage des fluides de la zone
de mélange
(B) à la zone de distribution (C). De préférence, la paroi annulaire 16
comprend au moins
deux sections de passage latéral 17a et 17b.
L'extrémité de sortie 10 de la chambre de mélange 9 débouche dans l'enceinte
annulaire 15
(cf. figures 3 ou 5). La configuration de la chambre de mélange 9 dans la zone
de mélange
(B) permet un écoulement tangentiel du mélange de fluides à la fois dans la
chambre de
mélange elle-même et dans l'enceinte annulaire 15, cet écoulement tangentiel
permettant
d'optimiser l'efficacité du mélange. Le mélange entre le fluide réactionnel et
le fluide de
trempe continue de s'effectuer au niveau de l'enceinte annulaire 15. Les
dimensions de
l'enceinte annulaire 15 sont choisies d'une telle manière qu'elles permettent
la rotation du
mélange des fluides dans ladite enceinte annulaire 15 avant de pénétrer dans
la zone de
distribution (C). Selon l'invention, la hauteur H'2 de l'enceinte annulaire 15
est comprise entre
200 et 800 mm, de préférence entre 300 et 700 mm, et encore plus
préférentiellement entre
300 et 600 mm.
Dans un mode de réalisation particulier (non représenté sur les figures),
l'enceinte annulaire
15 peut être sectionnée, i.e. ladite enceinte comprend deux extrémités. Dans
ce mode de
réalisation, la longueur de l'enceinte annulaire 15, définie par l'angle formé
par les plans
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passant par les deux extrémités de ladite enceinte peut être comprise entre
270 et 360
degrés, de préférence entre 315 et 360 degrés.
L'enceinte annulaire 15 entoure intérieurement la zone de distribution (C)
d'une hauteur H'3
5
comprenant un plateau de distribution 12 (appelée aussi ici plateau
distributeur ou plaque de
distribution) et une pluralité de cheminées 13. Plus précisément, les
cheminées 13 sont
ouvertes à leur extrémité supérieure par une ouverture supérieure et
présentent le long de
leur paroi latérale une série d'orifices latéraux (non représentée sur les
figures) destinée au
passage séparé de la phase liquide (par les orifices) et la phase gaz (par
l'ouverture
10
supérieure) à l'intérieur des cheminées, de manière à réaliser leur mélange
intime à
l'intérieur desdites cheminées. La forme des orifices latéraux peut être très
variable,
généralement circulaire ou rectangulaire, ces orifices étant
préférentiellement répartis sur
chacune des cheminées selon plusieurs niveaux sensiblement identiques d'une
cheminée à
l'autre, généralement au moins un niveau, et de préférence de 2 à 10 niveaux,
de manière à
permettre l'établissement d'une interface aussi régulière que possible entre
la phase gaz et
la phase liquide.
Par rapport au dispositif de mélange et de distribution de l'art antérieur, le
dispositif de
mélange et de distribution selon l'invention ne comprend pas de plaque de pré-
distribution 11
munies de cheminées. En effet, selon un aspect essentiel du dispositif selon
l'invention, la
chambre de mélange 9 est positionnée à la périphérie du réacteur 1, dans la
zone de
mélange (B) comprise dans une enceinte annulaire 15, située au même niveau que
la zone
de distribution (C). Le mélange et la distribution des fluides ne sont plus
réalisés sur deux
niveaux distincts. Le dispositif de mélange et de distribution selon
l'invention est donc
significativement plus compact par rapport à ceux connus de l'art antérieur.
Par rapport au
dispositif selon l'art antérieur, tel qu'illustré en figure 1, l'encombrement
total du dispositif de
mélange et de distribution est H = H'1 + H'2 = H'1 + H'3 (cf. figure 4), H'2
(ou H'3)
correspondant à la hauteur de l'enceinte annulaire 15.
En se reportant aux figures 3 à 5, illustrant un dispositif de mélange et de
distribution selon la
première variante de réalisation selon l'invention, l'enceinte annulaire 15
est séparée de la
zone de distribution (C) par une paroi annulaire 16, concentrique à l'enceinte
du réacteur et
de préférence sensiblement cylindrique, comprenant une pluralité de sections
de passage
latéral 17a et 17b permettant le passage du liquide et du gaz issus de la
chambre de
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mélange 9 et circulant dans l'enceinte annulaire 15 de la zone de mélange (B)
à la zone de
distribution (C). Lesdites sections de passage latéral 17a/17b peuvent se
présenter
indifféremment sous la forme d'un orifice ou d'une fente.
Avantageusement, la paroi annulaire 16 séparant la zone de mélange (B) de la
zone de
distribution (C) est située à une distance d2 de l'enceinte du réacteur 1, la
distance d2 étant
comprise entre 2 % et 20 % du diamètre du réacteur, préférentiellement entre 3
% et 15% du
diamètre du réacteur, encore plus préférentiellement entre 6 % et 12 % du
diamètre du
réacteur.
Ainsi, l'enceinte annulaire 15 est délimitée du côté externe par l'enceinte du
réacteur 1 et du
côté interne par ladite paroi annulaire 16, ladite paroi annulaire 16 étant
située dans l'espace
compris entre l'enceinte du réacteur 1 et les cheminées 13 situées le plus à
l'extérieur, i.e.
les cheminées 13 se répartissant sensiblement selon le cercle de plus grand
diamètre.
De préférence, la paroi annulaire 16 comprend une pluralité de sections de
passage latéral
17a et 17b réparties sur au moins un niveau, de préférence au moins deux
niveaux. En se
reportant à la figure 5, les sections de passage latéral 17a permettent
notamment le passage
du liquide de la zone de mélange (B) à la zone de distribution (C) et les
sections de passage
latéral 17b permettent notamment le passage du gaz de la zone de mélange (B) à
la zone de
distribution (C). Dans la zone de distribution (C) du dispositif selon
l'invention, les phases
gaz et/ou liquide du mélange pénètrent dans ladite zone de distribution (C) au
moyen des
sections de passage latéral 17a et 17b situées sur la paroi annulaire 16. Le
plateau de
distribution 12 s'étend radialement sur toute la zone de distribution (C) du
dispositif et est
disposé dans le plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'enceinte 1 du
réacteur. Ledit
plateau de distribution 12 permet d'optimiser la distribution du fluide
réactionnel refroidi sur le
lit de catalyseur 14 situé en aval dudit plateau de distribution.
En se reportant aux figures 3 et 5, la chambre de mélange 9 a une forme
sensiblement
annulaire et peut être de section en parallélogramme ou circulaire. Par
section en
parallélogramme, on entend toute section à quatre côtés dont les côtés opposés
de ladite
section sont parallèles deux à deux, par exemple la section en parallélogramme
peut être
une section rectangulaire (cf. figure 3), une section carré, ou une section en
losange. Par
section circulaire, on entend une section en forme de cercle ou en ovale.
Quelle que soit la
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forme de la section de la chambre de mélange 9, la hauteur ou le diamètre de
ladite chambre
sera choisie de manière à limiter au maximum la perte de charge et de manière
à limiter
l'encombrement spatial dans le réacteur.
La longueur de la chambre de mélange 9 est définie par l'angle formé par les
plans passant
par les deux extrémités de ladite chambre (représenté par l'angle [3 sur la
figure 3). La
longueur de ladite chambre est comprise entre 0 et 270 degrés. De manière
préférée, la
longueur de ladite chambre est comprise entre 30 et 200 degrés, plus
préférentiellement
entre 90 et 180 degrés. Avantageusement, la chambre de mélange 9 est située à
une
distance dl de l'enceinte du réacteur 1, ladite distance dl étant comprise
entre 5 et 300 mm,
préférentiellement entre 5 et 150 mm (cf. figure 3).
Lorsque la section de la chambre de mélange est de section en parallélogramme,
les
dimensions de la section de hauteur c< h et de largeur c< I , sont telles
que le ratio entre la
hauteur h et la largeur I est compris entre 0,2 et 5,0 de préférence
entre 0,5 et 2,0 (cf.
figure 5).
La hauteur h de la chambre de mélange est choisie de manière à limiter au
maximum la
perte de charge et de manière à limiter l'encombrement spatial dans le
réacteur. En effet, la
perte de charge du dispositif de mélange selon l'invention dépend de la
section de la
chambre de mélange.
Lorsque la section de la chambre de mélange est de section circulaire (en
cercle), le
diamètre d de ladite chambre de mélange est compris entre 0,05 et 0,8 m,
plus
préférentiellement entre 0,1 et 0,5 m, encore plus préférentiellement entre
0,15 et 0,5 m, et
de manière encore plus préférée entre 0,15 et 0,4 m. La perte de charge du
dispositif selon
l'invention dépend du diamètre dans la chambre de mélange.
La perte de charge suit une loi classique de perte de charge et peut être
définie par
l'équation suivante:
AP = 1 - p v 2 x (1)
2 "
où AP est la perte de charge, pm la densité moyenne du mélange gaz+liquide
dans la
chambre de mélange, Vm la vitesse moyenne du mélange gaz+liquide et x est le
coefficient
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de perte de charge associé au dispositif de mélange. La gamme préférentielle
de perte de
charge lors du dimensionnement de dispositifs industriels est 0,05 bars <
APmax < 0,5 bars
(1 bar = 105 Pa), de préférence 0,1 bars < APmõ <0,25 bars.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, lorsque la section de
la chambre de
mélange est de section en parallélogramme, la sortie 10 de la chambre de
mélange 9 a une
hauteur h' et/ou une largeur inférieure à la hauteur h et/ou la
largeur I de la
section de la chambre de mélange 9 (hors sortie) afin d'améliorer davantage
l'homogénéité
du mélange. Le rapport h'/h et/ou III est compris entre 0,5 et 1, de
préférence entre 0,7 et 1.
Selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention, lorsque la
section de la chambre
de mélange est de section circulaire, la sortie 10 de la chambre de mélange 9
a un diamètre
d' inférieure au diamètre d de la section de la chambre de mélange 9
(hors sortie) afin
d'améliorer davantage l'homogénéité du mélange. Le rapport d'id est compris
entre 0,5 et 1,
de préférence entre 0,7 et 1.
Avantageusement, la chambre de mélange 9 peut comprendre au moins un moyen de
déviation (non représenté sur les figures) sur au moins une des parois
internes de ladite
chambre de mélange. La présence d'au moins un moyen de déviation du mélange de
fluides
traversant ladite chambre permet d'augmenter la surface d'échange entre les
deux phases et
donc l'efficacité des transferts de chaleur et de matière entre la phase
liquide et la phase
gazeuse traversant ladite chambre. Ledit moyen de déviation peut se présenter
sous
plusieurs formes géométriques permettant d'améliorer l'efficacité de la
chambre de mélange,
étant entendu que lesdites formes permettent une déviation au moins en partie
du trajet du
mélange de fluides traversant ladite chambre. Par exemple, le moyen de
déviation peut se
présenter sous la forme d'une chicane, de section triangulaire, carré,
rectangulaire, ovoïdale
ou toute autre forme de section. Le moyen de déviation peut également se
présenter sous la
forme d'une ou plusieurs ailette(s) ou bien d'une ou plusieurs pale(s)
fixe(s).
Dans un mode de réalisation particulier selon l'invention, deux chambres de
mélange 9
peuvent être positionnées dans la zone de mélange (B) afin de réduire la
hauteur h ou le
diamètre c< d desdites chambres de mélange, tout en assurant un bon mélange
des fluides
et une bonne homogénéité en température. De préférence, les deux chambres de
mélange
sont diamétralement opposées dans l'enceinte du réacteur. Pour chaque chambre
de
mélange 9, une conduite de collecte 7 et un moyen d'injection 8 sont associés.
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En-dessous du plateau de distribution 12, un système de dispersion peut être
positionné de
manière à distribuer les fluides uniformément sur le lit de catalyseur 14
situé en aval dudit
système. Le système de dispersion comprend un ou plusieurs dispositifs de
dispersion 19
(cf. figure 6b) pouvant être associé à chaque cheminée 13, être en commun à
plusieurs
cheminées 13, ou encore être en commun à l'ensemble des cheminées 13 du
plateau de
distribution 12. Chaque dispositif de dispersion 19 a une géométrie
sensiblement plane et
horizontale, mais peut avoir un périmètre de forme quelconque. Par ailleurs,
chaque
dispositif de dispersion 19 peut être situé à différente hauteur.
Avantageusement, ledit
dispositif de dispersion se présente sous la forme de grilles, et peut
comprendre
éventuellement de déflecteurs.
La distance séparant le système de dispersion du lit de solides granulaires
situé
immédiatement en-dessous est choisie de manière à conserver l'état de mélange
des
phases gazeuses et liquide autant que possible tel qu'il est en sortie des
cheminées 13.
De préférence, le plateau de distribution 12 et lit de catalyseur 14 située en-
dessous dudit
plateau de distribution est compris entre 50 et 400 mm, de préférence entre
100 et 300 mm.
La distance entre le plateau de distribution 12 et ledit dispositif de
dispersion 19 est comprise
entre 0 et 400 mm, de préférence entre 0 et 300 mm.
Dans un mode de réalisation particulier, le plateau de distribution 12 est
posé sur le dispositif
de dispersion 19.
Selon l'invention, la zone de distribution (C) comprenant le plateau de
distribution 12 et les
cheminées 13 ne s'étend pas radialement sur toute la section de l'enceinte du
réacteur car la
zone de mélange (B) comprenant la chambre de mélange 9 entoure intérieurement
ladite
zone de distribution (C). Par conséquent, pour pallier l'absence du plateau de
distribution 12
et de cheminées 13 en périphérie du réacteur, i.e. la zone située en dessous
de l'enceinte
annulaire 15, plusieurs moyens de déviations des fluides peuvent être
envisagés pour
distribuer les fluides de manière homogène au-dessus du lit de catalyseur 14
situé en aval
du dispositif de mélange et de distribution, dans le sens de la circulation
des fluides, et plus
particulièrement dans la zone située en dessous de la zone de mélange (B).
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Dans un premier mode de réalisation, et tel qu'illustré en figure 6a, au moins
une des
cheminées 13 située en périphérie de la zone de distribution (C), i.e. se
trouvant à proximité
de la paroi annulaire 16, est prolongée vers le bas, en-dessous de la plaque
de distribution
12, et est coudée de manière à être apte à distribuer en partie le flux de
mélange de fluides
5 en périphérie du réacteur 1. Plus particulièrement, l'angle de coudage a,
pris entre l'axe
longitudinal du prolongement des cheminées 13 en dessous de la plaque de
distribution 12
et le plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'enceinte, est compris
entre 0 et 90 degrés,
de préférence entre 10 et 50 degrés, et de manière encore plus préférée entre
30 et 45
degrés. Ainsi, les fluides sont distribués radialement sur toute la surface de
l'enceinte du
10 réacteur.
Dans un deuxième mode de réalisation, et tel qu'illustré en figure 6b, les
systèmes dispersifs
19, se présentant sous la forme de grilles positionnées en-dessous de la zone
de mélange
(B) et de la zone de distribution (C). Les grilles comprennent en outre un
système de
15 guidage 21 se présentant sous la forme d'au moins une rampe de guidage
21 permettant de
collecter au moins une partie du flux du liquide issu de la zone de
distribution (C) et de le
conduire en périphérie de l'enceinte du réacteur 1 afin de distribuer les
fluides radialement
sur toute la surface de l'enceinte du réacteur au-dessus du second lit de
catalyseur 14. La
rampe de guidage peut avoir un profil en forme de U ou de V afin de diriger le
flux de liquide
reçu en périphérie du réacteur, et peut éventuellement comprendre une ou
plusieurs
perforations pour permettre l'écoulement dudit flux de liquide en dessous des
grilles.
Dans un troisième mode de réalisation, et tel qu'illustré en figure 6c,
l'enceinte annulaire 15
de la zone de mélange (B) comprend au moins une ouverture (perforation) 20, de
préférence
comprend une pluralité d'ouvertures 20, permettant de collecter au moins en
partie les
fluides de la chambre de mélange 9 débouchant dans l'enceinte annulaire 15,
permettant
ainsi de distribuer en partie les fluides en périphérie de l'enceinte du
réacteur. La taille et la
forme des ouvertures 20 sont choisies d'une telle manière qu'elles ne
permettent de collecter
qu'une mineure partie des fluides se trouvant dans l'enceinte annulaire 15. La
majeure partie
des fluides traversent la ou les sections de passage latéral 17a et/ou 17b.
Bien entendu, la variante de réalisation de l'invention présentée ci-avant
n'est qu'une
illustration de l'invention, et n'est en aucun cas limitatif. D'autres
variantes de réalisation du
dispositif de mélange et de distribution peuvent être envisagées.
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16
Par exemple, dans une variante de réalisation de l'invention, la zone de
distribution (C) est
positionnée en périphérie de l'enceinte du réacteur, et délimitant
intérieurement la zone de
mélange (B) par une paroi annulaire 16, de préférence sensiblement
cylindrique, laquelle
paroi annulaire 16 comprend au moins une section de passage latéral 17a ou 17b
apte au
passage des fluides de la zone de mélange (B) à la zone de distribution (C).
Dans une autre variante de réalisation de l'invention (cf. figure 7), la zone
de mélange (B) est
comprise dans une enceinte annulaire 15 positionnée dans la zone de
distribution (C), la
position de l'enceinte annulaire 15 étant telle qu'elle forme deux zones de
distribution (C),
ladite zone de mélange étant délimitées par deux parois annulaires 16
comprenant chacune
au moins une section de passage latéral apte au passage des fluides de ladite
zone de
mélange (B) auxdites zones de distribution (C). Dans cette variante de
réalisation, la distance
d2 doit être entendue comme comprise entre l'enceinte du réacteur et la
paroi 16 la plus
proche de l'enceinte du réacteur, i.e. la paroi annulaire de plus grand
diamètre (cf. figure 7).
Par rapport aux dispositifs décrits dans l'art antérieur, et encore plus
particulièrement par
rapport au dispositif divulgué dans le document FR 2 952 835, le dispositif de
mélange et de
distribution selon l'invention présente les avantages suivants :
- une compacité accrue du fait de l'intégration à la même hauteur de la zone
de mélange
et de la zone de distribution des fluides ;
- une bonne efficacité thermique et une bonne efficacité de mélange
grâce à l'écoulement
rotatif dans la chambre de mélange, dans l'enceinte annulaire, et sur ou au
niveau du
plateau de distribution.
Exemple
Dans les exemples suivants, on compare le dispositif non conforme à
l'invention (Dispositif
A) avec un dispositif selon l'invention (Dispositif B). Pour les deux
dispositifs, on considère
que les hauteurs H1 et H'1 de l'espace de collecte (A) sont identiques et sont
égales à
120 mm. De la même manière, la hauteur entre le plateau de distribution 12 et
le haut du
second lit catalytique 14 est fixée à 400 mm. Les comparaisons entre ces deux
dispositifs se
basent sur leur compacité dans un réacteur catalytique. Ces exemples sont
présentés ici à
titre d'illustration et ne limitent en aucune manière la portée de
l'invention.
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Dispositif A (non conforme à l'invention) :
Pour un diamètre de réacteur de 5 m, l'encombrement d'un dispositif de mélange
classique,
tel que divulgué dans le document FR 2 952 835 A1, compris entre l'extrémité
supérieure de
la conduite de collecte 7 et le plateau de pré-distribution 11 est d'environ
650 mm.
L'encombrement est d'environ 950 mm en ajoutant l'encombrement du plateau de
distribution 12 situé en dessous de la plaque de pré-distribution 11
(correspondant à une
hauteur H3 = 300 mm).
Ainsi, l'encombrement total d'un dispositif de mélange et de distribution
classique pris entre
le bas du premier lit catalytique 2 et le haut du second lit catalytique 14
est de 120 + 950 +
400 = 1470 mm.
Dispositif B (conforme à l'invention) :
Pour un diamètre de réacteur de 5 m, la hauteur H'2 de l'enceinte annulaire 15
du dispositif
selon l'invention est de 600 mm et la distance d2 distance d2 comprise
entre la paroi
16 de l'enceinte annulaire 15 et l'enceinte du réacteur est de 350 mm,
permettant la rotation
des fluides dans la zone de mélange (B) avant de pénétrer dans la zone de
distribution (C).
Ainsi, l'encombrement total du dispositif de mélange et de distribution selon
l'invention pris
entre le bas du premier lit catalytique 2 et le haut du second lit catalytique
14 est de 120 +
600 + 400 = 1120 mm.
Ainsi, à titre de comparaison, le dispositif selon l'invention permet un gain
d'espace de 24 %
par rapport au dispositif A. L'espace gagné par la compacité du dispositif
selon l'invention
par rapport au dispositif de l'art antérieur peut être ainsi utilisé pour les
lits de catalyseur.
Ainsi le dispositif selon l'invention permet d'améliorer également les
performances d'un
réacteur par une augmentation de la quantité de catalyseur dans les lits
catalytiques.
