CH370058A - Appareil servant à l'exécution en continu de réactions catalytiques en phase liquide - Google Patents

Description

  
 



  Appareil servant à l'exécution en continu de réactions catalytiques en phase liquide
 La mise en contact intime de phases liquide et solide est une technique apparemment simple en théorie mais qui pose de nombreux problèmes pratiques pour lesquels il n'y a pas de solution générale.



   Simultanément se pose, en fin de réaction, le problème de la séparation du solide et du liquide. L'application des catalyseurs solides aux réactions en phase liquide (estérification, hydrolyse, condensation,   hydratation,,    époxydation, etc., pour   n'eu    citer que quelques-unes) prend actuellement une importance accrue depuis que   l'on    trouve sur le marché des résines d'échange d'ions sous forme de poudre de granulométrie connue.



   Les meilleures techniques utilisées jusqu'à présent pour la mise en   oeuvre    des échangeurs d'ions relèvent du concept du lit fixe, qui consiste à faire traverser de haut en bas une couche verticale, à section constante, de catalyseur, par les réactifs à mettre en contact, pour accomplir une réaction donnée.



   L'appareillage servant à la mise en oeuvre de la technique du lit fixe nécessite, au bas du réacteur, un dispositif généralement assez compliqué pour séparer, en fin de réaction, les produits de réaction du catalyseur (tamis, plaques poreuses, etc.).



   Généralement satisfaisant lorsqu'il s'agit de travailler des produits propres, exempts de matières en suspension, et dans des conditions telles qu'il n'y ait pas apparition de phase gazeuse ou de produits vaporisés, le lit fixe ne convient plus lorsque les exigences ci-dessus ne sont pas satisfaites. Les matières en suspension colmatent rapidement soit le dispositif de retenue du catalyseur à la base du réacteur, soit le catalyseur lui-mme et gnent, jusqu'à l'arrter complètement, l'écoulement du liquide au travers de la masse catalytique.



   La naissance d'une phase gazeuse, mme de faible volume, concourt à formation de poches de gaz qui peuvent aller jusqu'au sectionnement du lit de catalyseur par tranches nettement séparées. Ces poches de gaz ne s'éliminent pas et bloquent le réacteur, contrariées qu'elles sont par le courant descendant des réactifs.



   Le lit suspendu, vertical, de section constante, retarde les inconvénients ci-dessus signalés mais ne les résout pas: le colmatage du support est toujours possible par les matières en suspension. Le sectionnement du lit de catalyseur par des poches intermédiaires de gaz ou de vapeurs est mme aggravé au point que les sections ainsi formées peuvent tre éjectées à l'extérieur du réacteur.



   L'objet de la présente invention est un appareil propre à éliminer les inconvénients signalés ci-dessus.



   Cet appareil est caractérisé en ce qu'il comporte un récipient de section intérieure croissant de bas en haut qui est chargé de matière solide catalytique en grains, ce récipient étant équipé pour tre traversé de bas en haut par un courant continu de liquide comprenant au moins un réactif.



   La forme la plus commode à donner au récipient est celle d'un tronc de cône à pointe dirigée vers le bas.



   La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut tre réalisée.



   La figure unique est un schéma d'un appareil réalisé selon l'invention.



   Le chargement en catalyseur solide est effectué jusqu'au niveau 6 de façon à ménager, à la partie supérieure du réacteur 1, une zone vide de catalyseur.



  Les réactifs sont introduits, à la partie inférieure, par un tuyau 2, muni d'une vanne d'isolement 4 de mme calibre qui permet de retenir le catalyseur au moment de l'arrt. Les produits de la réaction sont  recueillis par un tuyau 3 ou, indifféremment, par un tuyau   3' partant    d'une rigole annulaire de débordement 5.



   En raison de la forme conique adoptée, la vitesse du liquide diminue graduellement à mesure que le liquide gagne la partie supérieure du réacteur. Par voie de conséquence, l'expansion du lit de catalyseur, qui est fonction de la vitesse, diminue également.



   On règle le débit du liquide admis à la base du réacteur, compte tenu de la nature et de la granulation du catalyseur, de façon à réaliser une vitesse linéaire 10 à 30 fois supérieure à la vitesse de chute, dans le milieu considéré, des particules de catalyseur, cette vitesse de chute étant définie par la loi de
Stokes. A titre d'exemple, dans le cas d'un catalyseur du type des résines de polystyrène sulfoné, dont les particules ont un diamètre de 0,1 à 1 mm, on choisira également une vitesse à la base de l'ordre de 1,5   m à 3 m par seconde.   



   L'angle du cône est déterminé de telle sorte que la vitesse du liquide à la partie supérieure du réacteur devienne inférieure à la vitesse de chute des particules solides et qu'ainsi toute perte de catalyseur par entraînement soit évitée. Cet angle peut varier de 5 à 600.



   Dans ces conditions, on constate qu'en marche normale la masse de catalyseur reste en suspension dans le liquide, des zones exemptes de catalyseur étant observées à la fois à la base et à la partie supérieure de l'appareil.



   L'objet de l'invention peut présenter de nombreux avantages:
 Tout d'abord, la formation de gaz ou de vapeurs ne présente plus d'inconvénient: on constate en effet que les bulles n'ont plus tendance à s'agglomérer pour former des poches gazeuses et se dégagent aisément.



   En outre, le lit suspendu est toujours en état de turbulence, ce qui est favorable aux échanges de matière et de chaleur. Cette turbulence permet également l'exécution de réactions à partir de mélanges liquides hétérogènes et favorise l'élimination des matières en suspension.



   Enfin, la forme conique permet d'utiliser des catalyseurs dont la granulation n'est pas nécessairement homogène et qui se classent d'eux-mmes dans le réacteur en couches correspondant aux différentes grosseurs des particules.



   On sait que le temps de séjour des réactifs sur le catalyseur peut tre déterminé par intégration des équations cinétiques de la réaction. En supposant, dans tous les cas, une mise en contact parfaite des réactifs entre eux et avec le catalyseur, c'est l'appareil discontinu qui conduit au temps de séjour le plus faible pour obtenir un résultat déterminé. A l'opposé, l'appareil continu à un seul stage, c'est-à-dire dans lequel on homogénéise au mieux l'ensemble des réactifs, du catalyseur et des produits de la réaction, conduit au temps de séjour le plus long.



   La multiplication des stages dans un dispositif continu a pour effet de réduire le temps de séjour pour arriver, à la limite, à le confondre avec le temps du discontinu lorsqu'on a une infinité de stages.



   L'appareil objet de l'invention se comporte comme un appareil continu à grand nombre de stages, le temps nécessaire à l'obtention d'un résultat donné étant de très peu supérieur au temps nécessaire dans un appareil discontinu.



   Le réglage du débit alimentaire des réactifs se fera donc de telle sorte que le temps de séjour total sur le catalyseur soit un peu supérieur (de l'ordre de 1,3 à 1,5 fois) au temps nécessaire en discontinu pour obtenir le résultat recherché.



   On cherche généralement à obtenir l'équilibre thermodynamique pour les conditions de température et de pression utilisées, lequel dépend essentiellement des rapports moléculaires entre les réactifs mis en   oeuvre.   



   L'appareil décrit étant applicable à l'exécution de nombreuses réactions très différentes, on ne peut préciser ce rapport moléculaire, qui dépend dans une large mesure des méthodes mises en oeuvre pour la séparation ultérieure des produits de la réaction.



   Il peut mme tre avantageux, dans certains cas, de recycler, avec le mélange de réactifs, une partie du produit fabriqué pour faciliter des problèmes de séparation. On tient compte alors de la modification des conditions d'équilibre qui en résulte pour le calcul du temps de séjour nécessaire.



   L'apparail objet de l'invention peut tre utilisé sous pression et à toute température désirée. Des échanges thermiques peuvent tre adjoints, s'il y a lieu, sous la forme d'une double enveloppe ou d'un serpentin noyé dans la masse du catalyseur, l'état de turbulence du catalyseur permettant ces échanges, difficiles à réaliser avec un lit fixe.



   On décrit ci-après différentes manières d'utiliser l'appareil. a) Hydrolyse d'acétate de méthyle.



   A la base d'un réacteur conique d'angle de 18  et d'une capacité totale de 2500 litres, chargé de 1500 litres de catalyseur (polystyrène sulfoné    < Al-    lassion   C S >     de granulation 0,1 à 1 mm), on introduit en continu un mélange hétérogène bouillant constitué par:
 1260 kg/h d'acétate de méthyle
 480 kg/h d'eau
 Le réacteur travaille sous une pression absolue de 3,5 kg.



   Le taux d'hydrolyse se maintient à 27 % après 2200 heures de marche effective, sans qu'il soit observé de baisse d'activité du catalyseur. b) Fabrication d'acétate de butyle.  



   A la base   d'un    réacteur constitué par un cône d'angle 200, d'un volume total de 1500 litres, chargé de 900 litres d'échangeur de cations sous forme     hydrogène      de granulométrie   0,3-1,5      mm,    on envoie à l'heure 4000 litres d'un mélange ayant la composition suivante:
 Acide acétique .   200g/kg   
 Acétate de butyle . . 600 g/kg
 Alcool butylique . 180 g/kg
 Eau 20 g/kg
 A la sortie du réacteur, maintenu à 1100 sous une pression absolue de 3   kg/cm2,    la composition du mélange est:

  
 Acide acétique .   166g/kg   
 Acétate de butyle 666 g/kg
 Alcool butylique . 138 g/kg
 Eau 30 g/kg
 Ce mélange est envoyé dans une chaudière surmontée d'une colonne à distiller en tte de laquelle on extrait à l'heure 66 kg d'acétate de butyle et 10 kg d'eau, tandis que le liquide s'écoulant à la base constitue l'alimentation du réacteur. La chaudière reçoit d'autre part, par heure,   34 kg    d'acide acétique et   42 kg    d'alcool butylique, le liquide de la base de la colonne se maintient ainsi à la composition convenable pour l'alimentation du réacteur indiquée plus haut. c) Fabrication d'oxyde de mésityle.



   Dans un réacteur de 1,4 litre de capacité totale et d'angle 180, chargé de 200   cm3    d'  Allassions   CS >     de granulation 0,05 à 0,2 mm, on introduit de l'acétone pure anhydre à raison de   1500cmheure.    La réaction est conduite à la température de 900. Dans ces conditions, 10 % de l'acétone sont transformés, avec un rendement de transformation de 85-92   So,    en oxyde de mésityle. d) Hydrolyse de saccharose.



   Dans un réacteur conique d'angle 400, on charge   2 litres d'échangeur   Allassion C   de granulation    0,1 à 1,5 mm. On fait passer une solution de saccharose à 40 % à la vitesse de 1,5 litre/heure.



   Température:   60-750.   



   L'échangeur gonfle et occupe un volume de   2,360 litres    en marche.



   La transformation du saccharose en glucose et lévulose est de 100 %.
  

Claims (1)

1. REVENDICATION Appareil pour la mise en oeuvre de catalyseurs solides dans l'exécution en continu de réactions catalytiques en phase liquide, caractérisé en ce qu'il comporte un récipient de section intérieure croissant de bas en haut qui est chargé de matière solide catalytique en grains, ce récipient étant équipé pour tre traversé de bas en haut par un courant continu de liquide comprenant au moins un réactif.

   SOUS-REVENDICATIONS 1. Appareil selon la revendication, caractérisé en ce que le récipient a la forme d'un tronc de cône.

   2. Appareil selon la revendication, caractérisé en ce que la charge de matière granuleuse remplit la partie inférieure du récipient et laisse, à la partie supérieure, une zone qui n'en contient pas.

   3. Appareil selon la revendication, caractérisé en ce que le débit de liquide introduit à la base du réacteur est réglé de façon à assurer une vitesse linéaire 10 à 30 fois supérieure à la vitesse de chute des grains de matière solide dans ledit liquide.

   4. Appareil selon la revendication et la sousrevendication 1, caractérisé en ce que l'angle du cône et la hauteur du tronc de cane sont déterminés de telle sorte que la vitesse du liquide au niveau de la partie la plus large de ce tronc de cône devienne inférieure à la vitesse de chute des grains de matière solide dans ledit liquide.

   5. Appareil selon la revendication et la sousrevendication 1, caractérisé en ce que l'angle du cône est de 5 à 600.