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RÉACTEUR TUBULAIRE A LIT FIXE AVEC ÉLÉMENT FILTRANT
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine des réacteurs-échangeurs. En
particulier, la présente invention se rapporte au domaine des réacteurs-
échangeurs
catalytiques mettant en uvre un catalyseur solide, et notamment un catalyseur
solide
sous forme de poudre, ainsi qu'au domaine des moyens de confinement d'un tel
catalyseur.
La présente invention propose à cet égard un réacteur-échangeur catalytique
susceptible de mettre en oeuvre des procédés de synthèses organiques
exothermiques.
Ces composés organiques peuvent notamment comprendre des carburants de
synthèse
et du combustible.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les réacteurs catalytiques utilisant des catalyseurs solides sont largement
mis
en oeuvre pour la synthèse de composés organiques tels que les carburants de
synthèse
ou les combustibles parmi lesquels on peut citer les substituts de gaz
naturel, le
diméthyléther ou encore le méthanol.
Ces composés sont notamment obtenus par réaction d'hydrogène et d'oxyde
de carbone en présence d'un catalyseur solide approprié.
Toutefois, les réactions chimiques relatives à la synthèse de ces composés
sont très exothermiques, et dégagent par voie de conséquence une quantité de
chaleur
susceptible de dégrader le catalyseur solide. Il résulte de cette dégradation
une réduction
du taux de conversion des espèces chimiques en présence, et une diminution de
la
sélectivité des réactions mises en jeu. Par ailleurs, le catalyseur solide se
désactive sous
l'effet de la chaleur.
Ainsi, en pratique, ces réactions peuvent être mises en oeuvre dans un
réacteur-échangeur du type tube-calandre qui comprend un canal réactif pourvu
du
catalyseur solide et refroidi continument par un fluide caloporteur. Dans ce
type de
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réacteur, les gaz réactifs circulent axialement dans les tubes qui contiennent
un
catalyseur, par exemple en poudre.
Néanmoins, en dépit de la mise en uvre d'un refroidissement par le fluide
caloporteur, ce type de réacteur reste sensible à la chaleur dégagée par les
réactions se
produisant dans le réacteur.
En particulier, un point chaud, généralement observé à proximité de l'entrée
des gaz réactifs, dégrade le catalyseur solide, et réduit donc les
performances du
réacteur-échangeur.
Afin de limiter ces effets, les solutions suivantes ont été proposées :
- une réduction de la densité volumique de catalyseur, notamment en
déposant ce dernier sur les parois du tube ou d'un insert ou en le diluant
dans un milieu
non réactif ;
- une dilution des gaz réactifs avec une partie des produits générés pour
diminuer l'activité de la réaction ;
- réaliser plusieurs points d'injection d'un ou de plusieurs réactifs pour
répartir la zone du point chaud sur une plus grande surface ;
- une réduction des dimensions des tubes ou en y plaçant des pièces
conductrices de la chaleur afin d'améliorer le refroidissement des tubes.
Ces solutions ne sont toutefois pas satisfaisantes.
En effet, quand bien même elles permettent de réduire les effets du point
chaud, elles sont complexes à mettre en oeuvre.
Par ailleurs, leur mise en oeuvre diminue la flexibilité d'utilisation du
réacteur-
échangeur, et rend ce dernier peu compact.
Afin de pallier ces problèmes, il alors été proposé un agencement permettant
de répartir la distribution des réactifs sur toute la longueur des tubes.
Cette solution
permet alors d'obtenir une meilleure homogénéité de la température sur toute
la
longueur du réacteur.
A cet égard, les documents US 3,758,279 A, US 4,374,094 A, EP 0 560 157 Al
et US 2,997,374 A proposent des réacteurs-échangeurs mettant en oeuvre une
distribution des réactifs à partir d'un espace de distribution annulaire.
Notamment, ces
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réacteurs-échangeurs, de forme généralement cylindrique, comprennent, agencés
de
manière coaxiale et à partir de l'extérieur du réacteur, un tube, l'espace de
distribution
annulaire, une charge de catalyseur et un espace de collecte.
Cet agencement n'est toutefois pas satisfaisant.
En effet, la présence de l'espace de distribution annulaire disposé autour de
la
charge de catalyseur, limite les transferts de chaleur du catalyseur vers le
tube rendant
peu efficace les systèmes de refroidissement généralement mis en oeuvre. Il
reste
néanmoins possible d'insérer des éléments conducteurs de chaleur dans le
réacteur. Une
telle solution reste toutefois incompatible avec les réacteurs comprenant des
tubes de
faible diamètre.
Inversement, le document CN 103990420 A propose de mettre en uvre un
insert pourvu d'une chambre de distribution et d'une chambre de collecte,
disposée au
centre d'un tube et définissant avec ce dernier une espace annulaire logeant
le catalyseur
solide.
Toutefois, l'agencement proposé dans ce document ne permet pas de répartir
de manière homogène au sein de l'espace annulaire. Plus particulièrement, cet
agencement ne permet pas d'obtenir un profil de température optimal au sein du
catalyseur solide.
Par ailleurs, on connait de la demande de brevet européen EP 3 827 895 Al de
la Demanderesse un principe de distribution étagée de gaz dans un réacteur-
échangeur.
Le réacteur comporte un catalyseur prévu dans un espace annulaire situé entre
un tube
creux et un insert creux pourvu de chambres de distribution et de collecte. Le
principe de
confinement du catalyseur n'est pas enseigné et il subsiste un besoin pour
concevoir une
solution à cette problématique de confinement du lit de poudre catalytique.
Un but de la présente invention est de proposer un réacteur tubulaire à lit
fixe
permettant une distribution plus uniforme des réactifs au sein du catalyseur
solide.
Un autre but de la présente invention est également de proposer un réacteur
tubulaire à lit fixe permettant une répartition plus homogène du flux de
chaleur généré
au sein du catalyseur solide.
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Un autre but de la présente invention est également de proposer un réacteur
tubulaire permettant une meilleure gestion du refroidissement.
Un autre but de la présente invention est également de proposer un réacteur
tubulaire pour lequel la fiabilité et la durée de vie sont améliorées au
regard des
réacteurs connus de l'état de la technique.
Un autre but de la présente invention est de proposer un réacteur tubulaire
permettant d'optimiser (augmenter) le temps de passage des gaz dans le lit
fixe de
poudre catalytique.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention vise à remédier au moins partiellement aux besoins et buts
mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de
l'art
antérieur.
L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un réacteur
tubulaire
à lit fixe qui s'étend, selon un axe longitudinal, entre une première
extrémité et une
deuxième extrémité,
le réacteur comprenant un lit de poudre catalytique confiné dans un espace
annulaire
délimité par une première paroi d'un tube creux et une deuxième paroi d'un
insert creux,
disposé dans le tube creux et de manière coaxiale à ce dernier,
l'insert creux comprenant au moins une chambre de distribution et au moins une
chambre de collecte, séparées l'une de l'autre par une paroi séparatrice, et
comprenant,
respectivement, une ouverture d'admission de gaz au niveau de la première
extrémité et
une ouverture d'évacuation de gaz au niveau de la deuxième extrémité,
la deuxième paroi comprenant au moins une ouverture distributrice et au moins
une
ouverture collectrice, qui s'étendent sur une longueur, l'ouverture
distributrice
permettant la distribution d'un gaz susceptible d'être admis par l'ouverture
d'admission
de la chambre de distribution vers l'espace annulaire, et l'ouverture
collectrice
permettant la collecte du gaz distribué dans l'espace annulaire par la chambre
de
collecte,
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caractérisé en ce que le réacteur comporte au moins un élément filtrant
positionné au
niveau de ladite au moins une ouverture collectrice entre ladite au moins une
chambre de
collecte et l'espace annulaire, ainsi qu'au niveau de ladite au moins une
ouverture
distributrice entre ladite au moins une chambre de distribution et l'espace
annulaire, ledit
5 au moins un élément filtrant prévenant le passage de poudre catalytique
depuis l'espace
annulaire respectivement vers ladite au moins une chambre de collecte et
ladite au moins
une chambre de distribution,
ledit au moins un élément filtrant étant en appui contre la surface externe de
la deuxième
paroi et recouvrant totalement ladite au moins une ouverture collectrice et
ladite au
moins une ouverture distributrice et/ou étant logé au moins partiellement à
l'intérieur de
ladite au moins une ouverture collectrice et ladite au moins une ouverture
distributrice.
Le réacteur selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des
caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons
techniques
possibles.
Il est entendu que dans la mesure où le réacteur selon la présente invention
est tubulaire, le tube creux et l'insert creux sont nécessairement de forme
cylindrique
mais pas nécessairement cylindrique de révolution.
Par ailleurs, dès lors que l'insert creux est disposé dans le tube creux et de
manière coaxiale à ce dernier, l'espace annulaire peut présenter une symétrie
de
révolution.
Ainsi, le réacteur selon la présente invention permet de distribuer les gaz
réactifs, du fait de l'étendue de l'ouverture de distribution, de manière
relativement
homogène dans l'espace annulaire. Ces derniers réagissent alors avec le lit de
poudre
catalytique sur toute la section couverte par l'ouverture de distribution. Les
produits issus
de la réaction des gaz, ainsi que les gaz n'ayant pas réagi sont collectés au
niveau de
l'ouverture de collecte et évacués du réacteur par l'ouverture d'évacuation
opposée à
l'ouverture d'admission.
Cet agencement pour lequel l'admission des gaz se fait par une extrémité et
l'évacuation par l'autre extrémité permet une meilleure répartition des
espèces réactives
(les gaz) dans l'espace annulaire, et par voie de conséquence une meilleure
répartition de
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la chaleur susceptible d'être dégagée lors de la réaction des espèces
réactives dans
l'espace annulaire.
Cette meilleure répartition de la chaleur dégagée permet de considérer un
système de refroidissement moins puissant et donc de plus petites dimensions.
L'agencement selon la présente invention permet donc d'envisager un
réacteur plus compact, et d'une fiabilité améliorée au regard des réacteurs
tubulaires
connus de l'état de la technique.
Ledit au moins un élément filtrant peut se présenter au moins en partie sous
la forme d'une ou plusieurs feuilles filtrantes positionnées contre la surface
externe de la
deuxième paroi de l'insert creux et recouvrant totalement ladite au moins une
ouverture
collectrice et ladite au moins une ouverture distributrice par appui sur la
surface externe
de la deuxième paroi de part et d'autre de celles-ci.
La ou les feuilles filtrantes peuvent comporter un tissu, un feutre, par
exemple
en fibres de verre, fibres métalliques, fibres de carbone, une grille
métallique et/ou une
tôle métallique microperforée, entre autres.
De plus, la ou les feuilles filtrantes peuvent se présenter sous une forme au
moins en partie cylindrique, notamment sous la forme d'une ou plusieurs
portions de
forme cylindrique, épousant la forme cylindrique de la surface externe de la
deuxième
paroi de l'insert et emmanchées sur l'insert.
La ou les feuilles filtrantes peuvent être solidarisées à l'insert par soudure
par
points, par brasure et/ou par le biais d'au moins une ligature autour de
l'insert et de la ou
des feuilles filtrantes, par exemple un ou des fils métalliques enroulés
autour de ceux-ci.
En outre, le réacteur peut comporter au moins un compartiment au niveau de
chacune desdites au moins une ouverture collectrice et une ouverture
distributrice, ledit
au moins un élément filtrant étant au moins en partie logé à l'intérieur dudit
au moins un
compartiment et de ladite au moins une ouverture collectrice et ladite au
moins une
ouverture distributrice.
Un élément filtrant peut avantageusement être introduit à l'intérieur de
chaque compartiment, au contact de la ou des parois internes du compartiment.
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Chaque compartiment peut comporter une ou plusieurs ouvertures
permettant la circulation des gaz.
De plus, un ou plusieurs compartiments peuvent être formés par le biais d'une
modification locale, au niveau d'une ou plusieurs ouvertures collectrice et
distributrice,
de la deuxième paroi de l'insert.
Un ou plusieurs compartiments peuvent être formés par le biais d'une
membrane découpée placée dans une ou plusieurs ouvertures collectrice et
distributrice.
En outre, ledit au moins un élément filtrant peut venir au contact du tube
creux de sorte à permettre un centrage de l'insert par rapport au tube creux.
Par ailleurs, le ou les compartiments et l'insert peuvent former une pièce
monobloc.
L'au moins une chambre de distribution peut être obturée au niveau de la
deuxième extrémité, et l'au moins une chambre de collecte peut être obturée au
niveau
de la première extrémité.
Le réacteur peut comprendre au niveau de la première extrémité et au niveau
de la deuxième extrémité, respectivement, un espace distributeur et un espace
collecteur
entre lesquels l'insert est disposé.
La poudre catalytique peut être retenue dans l'espace annulaire par un joint
en matière fibreuse au niveau de chacune des extrémités de l'espace annulaire.
Le joint en matière fibreuse peut être maintenu en compression contre la
poudre catalytique par un ressort, le ressort étant en butée contre une plaque
de
maintien liée mécaniquement au tube.
Le joint en matière fibreuse en combinaison avec le ou les ressorts permet de
mieux compacter la poudre catalytique et de prévenir l'attrition de cette
dernière lors de
la manipulation ou le transport du réacteur.
La paroi externe peut être dépourvue d'ouverture sur une première section et
une deuxième section qui s'étendent à partir, respectivement, de la première
extrémité
et de la deuxième extrémité, la première section et la deuxième section étant
en
recouvrement avec le lit de poudre sur une hauteur H, la hauteur H étant
comprise entre
0,5 fois et 10 fois, avantageusement comprise entre 1 fois et 2 fois, la
distance séparant
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une ouverture de distribution d'une ouverture de collecte immédiatement
adjacente, et
mesurée le long de la surface externe de la paroi externe.
Ainsi, un tel agencement permet d'imposer un temps de passage aux gaz
réactifs susceptibles de pénétrer dans l'espace annulaire par le joint
fibreux.
L'insert creux peut être muni de moyens de centrage maintenant ce dernier
en position coaxiale avec le tube creux, de manière avantageuse, les moyens de
centrage
comprennent des bossages formés sur la deuxième paroi.
Ces moyens de centrage permettent un montage plus facile du réacteur.
La surface d'une section de la chambre de distribution selon un plan de coupe
transversal à l'axe longitudinal peut diminuer de la première extrémité vers
la deuxième
extrémité, avantageusement, ladite surface est nulle au niveau de la deuxième
extrémité.
Les méthodes de fabrication additive, et notamment les techniques de
fabrication 3D permettent de réaliser ces structures complexes sous forme
d'une pièce
monobloc.
La surface d'une section de la chambre de collecte selon un plan de coupe
transversal à l'axe longitudinal peut augmenter de la première extrémité vers
la deuxième
extrémité, avantageusement, ladite surface est nulle au niveau de la première
extrémité.
L'ouverture de collecte et l'ouverture de distribution peuvent présenter une
largeur comprise entre 1/100 et 1/2, avantageusement comprise entre 1/20 et
1/4, du
diamètre du tube creux.
L'insert creux peut former une pièce monobloc.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description
détaillée
qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi
qu'à l'examen
des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel :
[Fig. 1] est une représentation schématique d'un réacteur tubulaire à lit fixe
selon une première variante de la présente invention, en particulier [Fig. 1]
représente le
réacteur selon un plan de coupe longitudinale passant par un axe longitudinal
XX' du
réacteur ;
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[Fig. 2] est une représentation schématique du réacteur de [Fig. 1] selon un
plan de coupe transversal perpendiculaire à l'axe longitudinal ;
[Fig. 3] est une représentation d'un élément filtrant, et notamment d'un
filtre
formé de quatre plans de fibres, susceptible d'être mis en oeuvre dans le
réacteur
tubulaire selon la présente invention ;
[Fig.4], [Fig. 5] et [Fig.6] sont des représentations en coupe transversale
partielle d'inserts équipés d'éléments filtrant conformes à l'invention,
[Fig. 7] est une représentation en coupe transversale partielle d'un autre
exemple d'insert équipé d'un compartiment avec élément filtrant conforme à
l'invention,
[Fig. 8] et [Fig. 9] sont des représentations en coupe transversale partielle,
respectivement avant et après découpe d'une membrane, permettant d'illustrer
l'obtention d'un autre exemple de compartiment avec élément filtrant conforme
à
l'invention,
[Fig. 10] et [Fig. 11] sont des représentations en coupe transversale
partielle
d'autres réalisations de compartiments avec éléments filtrant conformes à
l'invention
positionnés au contact du tube creux,
[Fig. 12] est une représentation d'un réacteur tubulaire à lit fixe selon la
première variante de la présente invention au niveau de la première extrémité
illustrant
l'agencement du joint et du ressort retenant le lit de poudre catalytique ;
[Fig. 13] est une représentation schématique de l'insert creux selon le plan
de
coupe AA' de [Fig. 121 ;
[Fig. 14] est une représentation schématique d'un insert selon une deuxième
variante de la présente invention, en particulier [Fig. 14] représente le
réacteur selon un
plan de coupe longitudinale passant par un axe longitudinal XX' du réacteur ;
[Fig. 15A], [Fig. 15B], [Fig. 15C], [Fig. 15D] et [Fig. 15E] sont des vues,
respectivement, selon les plans de coupe A, B, C, D et E de l'insert creux
représenté à [Fig.
14] ;
[Fig. 16] est une représentation schématique d'un insert selon une troisième
variante de la présente invention, en particulier [Fig. 16] représente le
réacteur selon un
plan de coupe longitudinale passant par un axe longitudinal XX' du réacteur ;
et
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[Fig. 17] et [Fig. 18] sont des vues, respectivement, selon les plans de coupe
CC' et DD' de l'insert creux représenté à [Fig. 16].
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner
des éléments identiques ou analogues.
5 De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne
le sont pas
nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus
lisibles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La présente invention concerne un réacteur-échangeur tubulaire à lit de
poudre catalytique fixe. En particulier, le lit de poudre catalytique est
confiné dans un
10 espace annulaire délimité par une première paroi d'un tube creux et une
deuxième paroi
d'un insert creux disposé dans le tube et de manière coaxiale à ce dernier.
L'insert creux selon la présente invention est notamment agencé pour
permettre une admission de gaz réactifs selon une première extrémité du
réacteur dans
une chambre de distribution de l'insert. Ces derniers sont ensuite distribués
sur une
section de l'espace annulaire étendue sur une longueur L, par une ouverture de
distribution permettant un passage des gaz de la chambre de distribution vers
l'espace
annulaire.
Les produits issus de la réaction entre espèces réactives sont ensuite
collectés,
par l'intermédiaire d'une ouverture de collecte, dans une chambre de collecte
de l'insert
creux, isolée de la chambre de distribution par une paroi séparatrice.
L'évacuation des produits s'effectue par une ouverture d'évacuation de la
chambre de collecte au niveau de la deuxième extrémité.
Aux figures 1 et 2, on peut voir un exemple de réalisation d'un réacteur
tubulaire à lit fixe selon une première variante de la présente invention.
Le réacteur tubulaire 1 selon la présente invention comprend un tube creux
10 qui, s'étend selon un axe longitudinal XX', entre une première extrémité 11
et une
deuxième extrémité 12.
Le tube creux 10 peut présenter une symétrie de révolution autour de l'axe
longitudinal XX'. Le tube creux 10 peut comprendre un métal, et notamment un
métal
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choisi parmi : acier, alliage d'aluminium, de cuivre, de nickel, entre autres.
Le diamètre de
la surface interne du tube creux 10 peut être compris entre 5 mm et 100 mm.
La paroi, dite première paroi, formant le tube creux 10 peut présenter une
épaisseur comprise entre 0,5 mm et 10 mm. Le tube creux 10 peut présenter une
longueur comprise entre 10 fois et 200 fois son diamètre interne.
Le réacteur tubulaire 1 comprend également un insert creux 20 qui s'étend
également selon l'axe longitudinal XX' et présente une forme externe
cylindrique. L'insert
creux 20 peut être une pièce monobloc.
L'insert creux 20 est notamment logé dans le volume V du tube creux 10 de
manière coaxiale à ce dernier. En particulier, l'insert 20 comprend une paroi,
dite
deuxième paroi 21, qui délimite avec la première paroi du tube creux un espace
annulaire
30.
L'espace annulaire 30 est, à cet égard, rempli d'une poudre catalytique qui
sera le siège des réactions de conversion de gaz réactifs susceptibles de
transiter dans le
réacteur tubulaire 1.
L'espace annulaire 30 peut présenter une épaisseur, définie comme la
distance entre la première paroi et la deuxième paroi, comprise entre 2% et 20
% du
diamètre interne de la première paroi.
De manière particulièrement avantageuse, l'insert creux 20 peut être muni de
moyens de centrage maintenant ce dernier en position coaxiale avec le tube
creux 10. Par
exemple, tel que représenté à la figure 14 relative à une seconde variante de
la présente
invention discutée dans la suite de l'énoncé, les moyens de centrage
comprennent des
bossages 22 formés sur la deuxième paroi 21.
Ces moyens de centrage 22 permettent notamment de considérer un insert
creux 20 d'une longueur au moins 20 fois supérieure au diamètre dudit insert.
Par
ailleurs, ces moyens de centrage 22 permettent également de faciliter le
montage du
réacteur tubulaire 1.
L'insert creux 20 comprend par ailleurs au moins une chambre de distribution
40 et au moins une chambre de collecte 50. En particulier, l'insert creux 20
peut
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comprendre entre une et quatre chambres de distribution 40, et entre une et
quatre
chambres de collecte 50.
Les chambres de distribution 40 et les chambres de collecte 50 sont
avantageusement disposées en alternance, s'étendent sur toute la longueur de
l'insert
creux 20 et sont séparées les unes des autres par des parois séparatrices 60.
Plus particulièrement, les parois séparatrices 60 s'étendent sur toute la
longueur de l'insert creux 20 dans le volume défini par l'insert creux 20.
Par ailleurs, l'au moins une chambre de distribution 40 comprend une
ouverture d'admission 41 au niveau d'une extrémité de l'insert 20 par laquelle
un ou des
gaz réactifs sont susceptibles d'être admis.
De manière équivalente, l'au moins une chambre de collecte 50 comprend
une ouverture d'évacuation 51 au niveau de l'autre extrémité de l'insert creux
20 et par
laquelle un ou plusieurs gaz sont susceptibles d'être évacués.
L'insert creux 20 est également pourvu d'au moins une ouverture distributrice
42, ou de distribution, et d'au moins une ouverture collectrice 52, ou de
collecte. En
particulier, l'ouverture distributrice 42 forme un passage perméable aux gaz
réactifs de la
chambre distributrice 40 vers l'espace annulaire 30. De manière équivalente,
l'ouverture
de collecte 52 forme un passage perméable aux gaz de l'espace annulaire 30
vers la
chambre de collecte 50. Les ouvertures de distribution 42 et collectrice 52
s'étendent sur
une longueur L.
Avantageusement, la longueur L est supérieure à la moitié, avantageusement
aux trois quarts de la longueur d'extension selon l'axe longitudinal XX' de
l'espace
annulaire 30.
Par ailleurs, l'au moins une chambre de distribution 40 est obturée au niveau
de la deuxième extrémité 12, tandis que l'au moins une chambre de collecte 50
est
obturée au niveau de la première extrémité 11. A cet égard, tel qu'illustré à
la figure 1, la
chambre de distribution 40 est obturée par une paroi de distribution 43,
tandis que la
chambre de collecte 50 est obturée par une paroi de collecte 53.
De manière complémentaire, le réacteur tubulaire 1 peut comprendre au
niveau de la première extrémité 11 et au niveau de la deuxième extrémité 12,
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respectivement, un espace distributeur 13 et un espace collecteur 14 entre
lesquels
l'insert creux 20 est disposé.
De manière avantageuse, l'ouverture de collecte 42 et l'ouverture de
distribution 52 présentent une largeur comprise entre 1/100 et 1/2,
avantageusement
comprise entre 1/20 et 1/4, du diamètre du tube creux 10.
Conformément à l'invention, chaque ouverture de collecte 52 et chaque
ouverture de distribution 42 sont associées par ailleurs à un ou plusieurs
éléments filtrant
61 prévenant le passage de poudre catalytique dans l'une ou l'autre des
chambres de
collecte 50 ou de distribution 40. Précisément, ce ou ces éléments filtrant 61
permettent
de confiner le catalyseur dans l'espace annulaire 30 du fait de leur
imperméabilité au
catalyseur.
Par exemple, et tel qu'illustré à la figure 3, un élément filtrant 61 peut
être
sous la forme d'un filtre, notamment une feuille filtrante, qui peut
comprendre une
pluralité de plans 61a, 61b, 61c et 61d comprenant des fibres. L'exemple
illustré à la
figure 3 comprend en particulier quatre plans, pourvus chacun de fibres
rectangulaires ou
rondes et inclinées à plus ou moins 45 par rapport à l'axe longitudinal XX'.
Plus
particulièrement, les fibres de deux plans successifs sont orientées selon
deux angles
différents, et sont notamment perpendiculaires d'un plan à l'autre.
Les figures 4 à 11 permettent d'illustrer différentes réalisations d'un ou de
plusieurs éléments filtrant 61 pouvant être utilisés dans tout type de
réacteur 1 conforme
à l'invention.
Ce ou éléments filtrant 61 sont positionnés au niveau de chaque ouverture
collectrice 52 entre une chambre de collecte 50 et l'espace annulaire 30,
ainsi qu'au
niveau de chaque ouverture distributrice 42 entre une chambre de distribution
40 et
l'espace annulaire 30. Ils permettent avantageusement de confiner le
catalyseur dans
l'espace annulaire 30 et donc de prévenir le passage de poudre catalytique
depuis
l'espace annulaire 30 vers les chambres de collecte 50 et les chambres de
distribution 40.
Comme illustré aux figures 4 à 6, le ou les éléments filtrant 61 peuvent se
présenter sous la forme d'une ou plusieurs feuilles filtrantes 61 positionnées
en appui
contre la surface externe de la deuxième paroi 21 de l'insert creux 20.
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Elles recouvrent alors totalement les ouvertures collectrices 52 et les
ouvertures distributrices 42 par appui sur la surface externe de la deuxième
paroi 21 de
part et d'autre de celles-ci. Autrement dit, la ou les feuilles filtrantes 61
peuvent
s'apparenter à un ou plusieurs filtres enroulés autour de l'insert 20 et
recouvrant les
ouvertures collectrices 52 et les ouvertures distributrices 42.
Cette ou ces feuilles filtrantes 61 peuvent par exemple comporter un tissu, un
feutre, par exemple en fibres de verre, fibres métalliques, fibres de carbone,
une grille
et/ou une tôle métallique ou céramique microperforée. En particulier, dans le
cas d'une
grille ou d'une tôle microperforée, la taille des mailles ou des porosités est
inférieure au
diamètre des particules de catalyseur. A noter qu'un tissu ou une grille de
faible
épaisseur, comparable à la taille des particules, typiquement entre 20 im et 1
mm,
positionné(e) avec un minimum de jeu par rapport à la surface de l'insert 20
sont
préférés afin de ne pas favoriser la circulation du gaz dans l'épaisseur de la
ou des feuilles
filtrantes 61, ou entre celles-ci et l'insert 20, ce qui empêcherait de mettre
en contact le
gaz avec le catalyseur (et donc limiterait la réaction), et pour ne pas isoler
thermiquement
le catalyseur de la paroi de l'insert 20, ce qui limiterait l'homogénéisation
de la
température dans le réacteur 1 et favoriserait l'apparition de points chauds
si la réaction
est exothermique par exemple.
L'utilisation d'un ou plusieurs éléments filtrant 61 sous la forme d'une ou
plusieurs feuilles filtrantes 61 permet d'utiliser une forme d'insert 20 très
simple,
typiquement avec une section circulaire, et en particulier avec un contour de
forme
convexe de sorte à ne pas créer d'espace entre l'insert 20 et la ou les
feuilles filtrantes 61.
Comme illustré sur la figure 4, une feuille filtrante 61 peut être prévue,
celle-ci
recouvrant toutes les ouvertures collectrice 52 et distributrice 42 sans pour
autant
recouvrir toute la surface externe de la deuxième paroi 21. Ainsi, la feuille
filtrante 61
peut se présenter sous une forme cylindrique ouverte, ou encore sous la forme
d'un tube
ouvert, et peut venir s'emmancher autour de l'insert 20 à la manière d'une
chaussette. Le
pourtour de l'insert 20 n'est pas entièrement recouvert par la feuille
filtrante 61.
En variante, comme illustré sur la figure 5, la feuille filtrante 61 peut
également recouvrir entièrement la circonférence de l'insert 20, de sorte à
être enroulée
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tout autour de l'insert 20, et être refermée sur elle-même au niveau d'une
zone de
superposition ZS des extrémités de la feuille filtrante 61. Le pourtour de
l'insert 20 est
entièrement recouvert par la feuille filtrante 61.
Par ailleurs, comme illustré sur la figure 6, il est également possible
d'utiliser
5 une pluralité de feuilles filtrantes 61, constituant alors des morceaux
de filtre sous forme
de portions de forme cylindrique, chacune recouvrant une ouverture
distributrice 42 ou
une ouverture collectrice 52.
La fixation de la ou des feuilles filtrantes 61, directement sur la surface
externe de la deuxième paroi 21 de l'insert 20 et/ou au niveau de la zone de
10 superposition ZS, peut se faire par soudure par points ou encore par
brasure. Il est
également possible de maintenir la ou feuilles filtrantes 61 en place sur
l'insert 20 par le
biais d'une ligature, par exemple composée d'un ou plusieurs fils métalliques
enroulés
autour de l'insert 20 et de la ou des feuilles filtrantes 61.
En outre, comme illustré aux figures 7 à 11, le ou les éléments filtrants 61
15 peuvent encore être logés au moins en partie à l'intérieur d'une
ouverture collectrice 52
ou d'une ouverture distributrice 42.
En particulier, le réacteur 1 peut comporter un compartiment 80 au niveau de
chacune des ouvertures collectrices 52 et distributrices 42. Ce compartiment
80 peut
permettre de loger au moins en partie un ou plusieurs éléments filtrant 61. Ce
compartiment 80 est au moins en partie formé à l'intérieur d'une ouverture
collectrice 52
ou d'une ouverture distributrice 42.
Avantageusement, le ou les éléments filtrant 61 placés dans un compartiment
80 sont au contact de la ou des parois internes du compartiment 80.
Chaque compartiment 80 peut être formée de manière continue sur toute ou
partie de la longueur de l'insert 20 selon l'axe longitudinal XX'. Il est
avantageusement
ajusté à ou aux éléments filtrant 61 qu'il doit recevoir de façon à retenir le
catalyseur
dans l'espace annulaire 30.
Chaque compartiment 80 comporte en outre une ou plusieurs ouvertures 81,
identifiées sur les figures 7, 9, 10 et 11, permettant la circulation des gaz
au travers ou
autour du ou des éléments filtrant 61, entre les chambres de collecte 50 et de
distribution
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40 et l'espace annulaire 30 contenant le catalyseur. De préférence, la ou les
ouvertures
81 sont continues sur la longueur de l'insert 20 de sorte à permettre la mise
en place du
ou des éléments filtrant 61 dans le compartiment 80.
Avantageusement, la porosité du ou des éléments filtrant 61 est plus petite
que la taille des particules du catalyseur. Elle réalise la fonction de
séparation entre les
gaz et le catalyseur. Cette porosité est soit une composante d'un matériau
poreux utilisé
dans le ou les éléments filtrants 61, tel qu'un matériau fibreux, laine,
tresse, mousse,
fritté, céramique silice ou métallique, acier ou carbone, et les gaz circulent
alors
préférentiellement au travers du ou des éléments filtrant 61, soit créée par
un espace
ménagé entre le ou les éléments filtrant 61 et le compartiment 80, les gaz
circulant alors
préférentiellement autour du ou des éléments filtrant 61.
L'espace de circulation des gaz peut être par exemple un jeu de montage du
ou des éléments filtrant 61 dans leur compartiment 80, ou bien créée par une
rugosité de
surface du compartiment 80 ou du ou des éléments filtrant 61, par exemple une
tige
filetée ou un câble en acier.
La dimension de la section du ou des éléments filtrant 61 et du compartiment
80 est typiquement comprise entre 1 mm et 5 mm. De plus, la section du ou des
éléments
filtrant 61 peut être ronde, carrée ou rectangulaire, voire encore toute autre
forme
pourvue qu'elle soit adaptée au compartiment 80 et ne permette pas aux
particules de
catalyseur de migrer vers les chambres de distribution 40 et de collecte 50.
De manière avantageuse, l'utilisation de tels compartiments 80 associés
chacun à un ou plusieurs éléments filtrant 61 permet de faciliter la mise en
place de ceux-
ci dans l'insert 20, à la manière d'un joint placé dans une gorge. De plus,
les éléments
filtrant 61 peuvent être maintenus en position par le frottement avec la ou
les parois du
compartiment 80 de sorte que tout autre moyen de fixation peut être évité, tel
que la
soudure, la brasure ou la ligature. Par ailleurs, l'absence d'élément filtrant
61 sur toute la
surface externe de la deuxième paroi 21 de l'insert 20 peut permettre de
libérer cette
surface pour y rapporter d'autres éléments, par exemple destinés à assurer le
centrage
par rapport au tube 10. En outre, l'absence d'élément filtrant 61 sur la
surface externe de
la deuxième paroi 21 de l'insert 20 peut permettre un meilleur transfert de la
chaleur
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entre le lit de poudre catalytique et l'insert 20. Il est également possible
ainsi d'utiliser un
élément filtrant plus épais, moins fragile et moins cher. Il est possible de
mettre en place
un élément filtrant 61 avec de très petites porosités générant une résistance
au passage
des gaz qui peut être bénéfique pour homogénéiser la distribution des gaz
réactifs sur
toute la longueur de l'insert 20. Enfin, il est possible de rendre concave le
contour de la
section de l'insert 20 sans créer de passage de gaz préférentiel entre
l'insert 20 et
l'élément filtrant 61.
Dans les exemples des figures 7, 10 et 11, les compartiments 80 sont formés
par le biais d'une modification locale de la deuxième paroi 21 de l'insert 20
au niveau de
chaque ouverture collectrice 52 et chaque ouverture distributrice 42.
Précisément, dans l'exemple de la figure 7, un compartiment 80 est formé au
niveau d'une ouverture collectrice 52 ou distributrice 42 par modification de
la deuxième
paroi 21, en particulier par excroissance de la paroi 21 vers la chambre de
collecte 50 ou
de distribution 40 pour former un compartiment 80 de forme cylindrique, ouvert
sur
l'ouverture collectrice 52 ou distributrice 42 et ouvert sur la chambre de
collecte 50 ou de
distribution 40 par le biais d'une ouverture longitudinale 81. Le compartiment
80 peut
être réalisé en même que l'insert 20 et être d'un seul tenant avec celui-ci.
Il faut noter
que le compartiment 80 peut aussi être formé par un élément rapporté sur la
paroi 21.
Dans cet exemple, et de façon nullement limitative, l'élément filtrant 61 se
présente sous la forme d'un câble en acier.
De façon avantageuse, il peut être possible d'associer la création du
compartiment 80 à la réalisation de l'ouverture collectrice 52 ou
distributrice 42.
Ainsi, les figures 8 et 9 illustrent le cas d'un compartiment 80 formé par le
biais d'une membrane découpée 82 située dans l'ouverture collectrice 52 ou
distributrice
42. Cette membrane 82 peut être rapportée ou formée en même temps que la paroi
21.
Précisément, l'ouverture collectrice 52 ou distributrice 42 comporte une
membrane 82, comme visible sur la figure 8, laquelle est ensuite découpée pour
obtenir
l'ouverture 81 et pour former le compartiment 80 permettant de loger l'élément
filtrant
61, comme visible sur la figure 9.
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Par exemple, si l'insert 20 est réalisé par extrusion, le procédé de
fabrication
peut permettre de prévoir une telle membrane 82 de matière permettant
d'obstruer
dans un premier temps l'ouverture collectrice 52 ou distributrice 42. Le
passage d'une
lame peut alors permettre de créer l'ouverture 81 qui laissera une ou deux
parties de
membrane, comme représenté, permettant de former, avec les bords de la paroi
21 dans
l'ouverture 42 ou 52, le compartiment 80 contenant l'élément filtrant 61.
En outre, dans l'exemple de réalisation de la figure 10, le compartiment 80
est
formé par une modification locale de la deuxième paroi 21 consistant en une
excroissance
de celle-ci de part et d'autre de l'ouverture collectrice 52 ou distributrice
42 au sein de
l'espace annulaire 30. Le fond de l'ouverture collectrice 52 ou distributrice
42 est
également percé pour former l'ouverture 81 permettant le passage des flux de
gaz F.
De plus, l'exemple de réalisation de la figure 11 montre un compartiment 80
formé par un évasement dans la deuxième paroi 21 de part et d'autre de
l'ouverture
collectrice 52 ou distributrice 42 pour recevoir l'élément filtrant 61, ici
sous forme de tige
filetée. L'ouverture collectrice 52 ou distributrice 42 est alors en partie
formée par le
compartiment 80 qui comprend une ouverture 81 pour le passage des gaz F.
Dans ces deux exemples de réalisation des figures 10 et 11, l'élément filtrant
61 est avantageusement au contact du tube creux 10. Il est donc bloqué entre
le tube
creux 10 et le compartiment 80. De cette façon, il peut être possible de
réaliser un
centrage de l'insert 20 par rapport au tube creux 10. En effet, il est
nécessaire de
maîtriser l'épaisseur de l'espace annulaire 30 rempli de catalyseur. Cette
fonction, au lieu
d'être assurée par un élément rapporté sur la surface de l'insert 20 tel que
celui l'élément
22 décrit par la suite en référence à la figure 14, peut être directement
assurée par le
compartiment 80 ou l'élément filtrant 61.
Dans ces exemples particuliers, le compartiment 80 et/ou l'élément filtrant 61
dépassent de la surface externe de l'insert 20 et sont inscrits dans un cercle
de rayon
légèrement inférieur à celui de la paroi interne du tube creux 10. Par
exemple, la
différence entre les deux rayons est inférieure à un cinquième de l'épaisseur
de l'espace
annulaire 30 visé. Ainsi, dans le cas où l'insert 20 comporte par exemple six
chambres,
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seulement trois peuvent être équipées d'un compartiment 80 et d'un élément
filtrant 61
de ce type, ce qui suffit à centrer l'insert 20.
Lors du fonctionnement du réacteur 1, un ou des gaz réactifs sont admis dans
la chambre de distribution 40 par l'ouverture d'admission 41. Ces gaz passent
ensuite au
travers de l'ouverture de distribution 42 et s'écoulent dans l'espace
annulaire 30 afin
d'être mis en contact avec le lit de poudre catalytique. Lors de cet
écoulement dans
l'espace annulaire 30, qui se produit essentiellement entre une ouverture de
distribution
42 et une ouverture de collecte 52 qui lui est immédiatement adjacente, les
gaz réactifs
sont convertis, au moins en partie, en produits. Ces derniers, ainsi que la
fraction de gaz
réactifs n'ayant pas réagi, passent au travers de l'ouverture de collecte 52
ainsi
considérée et sont collectés dans la chambre de collecte 50. Les produits et
des gaz
réactifs n'ayant pas réagi ainsi collectés sont ensuite évacués par
l'ouverture d'évacuation
51.
Ainsi, l'étendue des ouvertures de distribution 42 sur la longueur L permet de
distribuer les gaz réactifs dans l'espace annulaire 30 sur ladite longueur L.
En d'autres
termes, cet agencement permet de distribuer la quantité de chaleur susceptible
d'être
produite lors de la conversion des gaz réactifs en produits sur toute la
longueur L. Cet
agencement permet ainsi de limiter l'augmentation de température locale du lit
de
poudre catalytique. L'étendue sur la longueur L des ouvertures de collecte 52
permet,
selon un principe équivalent, de limiter l'échauffement du lit de poudre
catalytique.
Par ailleurs, la disposition des ouvertures d'admission 41 et d'évacuation 51
sur des extrémités opposées de l'insert creux 20 contribue également à une
meilleure
distribution des réactifs au sein de l'espace annulaire 30 et par voie de
conséquence à
une meilleure homogénéisation de la température du lit de poudre catalytique.
Tous ces aspects contribuent à limiter l'apparition de points chauds et ainsi
préserver le lit de poudre catalytique. Il en résulte une meilleure fiabilité
du réacteur
tubulaire 1 et une augmentation de sa durée de vie.
Selon un aspect particulièrement avantageux illustré à la figure 12, la poudre
catalytique est retenue dans l'espace annulaire 30 par un joint 31 en matière
fibreuse au
niveau de chacune des extrémités de l'espace annulaire 30.
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Dans la mesure où le joint est en matière fibreuse, ce dernier est
nécessairement poreux et donc perméable aux gaz réactifs. La matière fibreuse
peut à cet
égard comprendre au moins un des éléments choisi parmi : fibres de verre,
fibres de
céramique, fibres de métal, fibres de carbone, fibres de matériau polymère,
entre autres.
5
Le joint 31 peut notamment être sous forme d'une tresse, d'une gaine, d'une
cordelette ou simplement comprendre un bourrage de la matière fibreuse. La
matière
fibreuse est avantageusement un isolant thermique et présente une conductivité
thermique sensiblement équivalente à celle du catalyseur utilisé (0,2 W/m/K à
10
W/m/K).
10
Selon un mode de réalisation avantageux, le joint 31 en matière fibreuse est
maintenu en compression contre la poudre catalytique par un ressort 32. Par
exemple, le
ressort 32 est en butée contre une plaque de maintien 33 lié mécaniquement au
tube 10
par une bague 34.
Le joint 31 en matière fibreuse en combinaison avec le ou les ressorts 32
15
permet de mieux compacter la poudre catalytique et de prévenir l'attrition de
cette
dernière lors de la manipulation ou le transport du réacteur.
Dans la mesure où le joint 31 est poreux, les gaz réactifs peuvent pénétrer
dans l'espace annulaire directement sans passer par la chambre de distribution
40.
Dans ce cas de figure (figure 12), il est particulièrement avantageux de
prévoir
20
un agencement de l'insert creux 20 permettant d'imposer à ce gaz réactif un
chemin de
parcours prédéterminé dans l'espace annulaire 30 afin de favoriser sa
conversion au
contact du lit de poudre catalytique. Ce parcours prédéterminé est d'une
longueur
comprise entre 0,2 fois et 10 fois, avantageusement comprise entre 1 fois et 2
fois, la
distance D1 (figure 13) séparant une ouverture de distribution 42 d'une
ouverture de
collecte 52 immédiatement adjacente, et mesurée le long de la surface externe
de la
deuxième paroi 21 de l'insert 20.
A cette fin, la deuxième paroi 21 peut être dépourvue d'ouverture sur une
première section 21a et une deuxième section qui s'étendent à partir,
respectivement, de
la première extrémité 11 et de la deuxième extrémité 12.
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A cet égard, la première section 21a et la deuxième section sont en
recouvrement avec le lit de poudre sur une hauteur H1. La hauteur H1 étant
comprise
entre 0,5 fois et 10 fois, avantageusement entre une fois et 2 fois, la
distance Di séparant
une ouverture de distribution 42 d'une ouverture de collecte 52 immédiatement
adjacente, et mesurée le long de la surface externe de la deuxième paroi 21.
La figure 14 illustre une deuxième variante de la présente invention qui
reprend pour l'essentiel les caractéristiques de la première variante.
L'insert creux 20
relative à cette deuxième variante est avantageusement fabriqué selon une
technique de
fabrication additive.
Selon cette deuxième variante, la chambre de distribution 40 présente un
profil convergent de la première extrémité 11 vers la deuxième extrémité 12.
En d'autres termes, la surface S40 d'une section de la chambre de distribution
40 selon un plan de coupe transversal à l'axe longitudinal XX' diminue de la
première
extrémité 11 vers la deuxième extrémité 12 (figures 15A à 15E),
avantageusement, la
surface est nulle au niveau de la deuxième extrémité 12.
De manière équivalente, la surface S50 d'une section de la chambre de collecte
50 selon un plan de coupe transversal à l'axe longitudinal XX' augmente de la
première
extrémité 11 vers la deuxième extrémité 12, avantageusement, la surface est
nulle au
niveau de la première extrémité 11.
Cet agencement des chambres de distribution 40 et de collecte 50 permet de
minimiser les pertes de charge liées à la circulation des gaz. Les
inhomogénéités de débit
dans l'espace annulaire 30 sont ainsi réduites.
La figure 16 représente un insert creux 20 susceptible d'être mis en oeuvre
selon une troisième variante de la présente invention. Cette troisième
variante reprend
pour l'essentiel les caractéristiques relatives à la première et à la deuxième
variante.
L'insert 20 relatif à cette deuxième variante peut être fabriqué par usinage,
par découpage, par électroérosion, par extrusion, entre autres.
En particulier, l'insert 20 comprend selon cette variante un corps principal
20a
intercalé entre deux corps terminaux 20b, 20c, et assemblés au moyen d'un
joint 20d.
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22
Les deux corps terminaux 20b, 20c, illustrés à la figure 16, comprennent une
paroi cylindrique non perméable au gaz reproduisant la première section 21a
décrite dans
le cadre de la première variante, et comprend des ouvertures de distribution
42 (ou de
collecte 52).
Le réacteur tubulaire selon la présente invention est avantageusement mis en
uvre pour la synthèse du méthane, du méthanol, du diméthyléther ou encore pour
mettre en oeuvre la synthèse de Fisher-Tropsch.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui
viennent d'être décrits. Diverses modifications peuvent y être apportées par
l'homme du
métier.
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