FR3023904A1 - Dispositif de repartition d'un flux solide issu d'un ecoulement de type riser en n sous flux solide de valeur determinee - Google Patents

Dispositif de repartition d'un flux solide issu d'un ecoulement de type riser en n sous flux solide de valeur determinee Download PDF

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Abstract

La présente invention décrit un dispositif permettant de répartir un flux de solide porté par un gaz vecteur et issu d'un riser en N sous flux de valeur déterminée quelconque. Le dispositif s'applique particulièrement à la zone réactionnelle du FCC ou à celle du procédé de combustion en boucle chimique (CLC).

Description

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention s'applique à toute installation contenant un réacteur en lit fluidisé transporté (riser), comme par exemple le procédé FCC ou le procédé dit CLC (abréviation de combustion en boucle chimique). Ces procédés utilisent un réacteur en lit transporté appelé riser, le catalyseur ou le solide caloporteur étant présent sous forme de particules généralement comprise entre 40 microns et quelques centaines de microns et mis en mouvement par un gaz porteur.
La présente invention décrit un dispositif de contrôle du flux de particules issu de ce riser permettant de séparer ce flux en deux ou plusieurs sous flux de particules solide, ces flux pouvant avoir des valeurs déterminées quelconques. L'invention est particulièrement adaptée au cas où l'on souhaite recycler une partie du flux de solide ayant circulé dans le riser vers le riser, pour modifier par exemple le profil de température de celui-ci en augmentant la température au bas du riser, ou augmenter la concentration en solide dans le riser, tout en envoyant l'autre partie du flux de solide vers un autre réacteurs.
La zone réactionnelle du FCC est constituée de deux réacteurs, l'un destiné à craquer les hydrocarbures, en riser, l'autre destinée à régénérer le catalyseur. Le réacteur de craquage est un riser, le réacteur de régénération est soit un lit fluidisé, soit une combinaison de risers et de lits fluidisés. L'invention peut donc être avantageusement mise en oeuvre dans ce procédé dans le cas où l'on souhaite recycler ou diviser une partie du flux de catalyseur circulant dans un des risers de l'installation. La zone réactionnelle du procédé de combustion en boucle chimique est constituée de deux réacteurs, l'un destiné à bruler une charge hydrocarbonée, l'autre destinée à oxyder l'oxyde métallique circulant dans l'installation. Dans ces deux réacteurs, on peut trouver des zones de transport en riser. L'invention peut donc être avantageusement mise en oeuvre dans ce procédé dans le cas où l'on souhaite recycler ou diviser une partie du flux d'oxyde métallique circulant dans un des risers de l'installation.
La liste des procédés ci-dessus n'est pas exhaustive et l'invention trouvera son application dans tout procédé muni d'une zone de transport de solide en riser dans laquelle on souhaite diviser en sortie le flux de solide circulant en plusieurs flux contrôlés.
L'invention repose sur le contrôle fin du bilan pression autour du riser, en aval des organes de séparation gaz solide. L'écoulement du gaz porteur est régi par le bilan pression de l'unité, en fonction des chemins de moindre perte de charge.
Un riser est en général associé à un dispositif de séparation gaz solide pour récupérer le solide qui est entraîné avec le gaz porteur et évacuer ledit gaz porteur. Le dispositif le plus répandu pour effectuer une séparation gaz solide est le cyclone qui repose sur une séparation par effet de force centrifuge. 11 a été établi dans le cadre de la présente invention que la circulation du gaz, et donc du solide, dans le cyclone est essentiellement régi par les pertes de charge sur les lignes gaz en aval. En contrôlant et en modulant le bilan pression en aval des cyclones associés au riser, on peut moduler le flux de solide vers chacun de ces cyclones, le flux allant vers chacun d'eux étant directement relié au ratio de leurs pertes de charge respectives. Un des avantages de la présente invention sur l'art antérieur, essentiellement représenté par le brevet FR2948177A1, est d'éviter l'utilisation de vannes mécaniques pour le contrôle de la circulation du solide en contact avec le solide en mouvement, telles que des vannes à pelles (ou « slide valve » dans la terminologie anglo saxonne) dont l'utilisation est difficile à très haute température (>780°C) on de vannes non mécaniques sur solides de type vannes en L par exemple. Le dispositif selon la présente invention est défini par la perte de charge selon les différents 30 circuits gaz solide issus du riser principal, chacun desdits circuits possédant un élément dont la perte de charge peut être variée à volonté pour contrôler la répartition du débit gazeux dans les différents circuits de gaz.
Le bénéfice attendu est à la fois une grande finesse de réglage des différents débits solides et une réduction sensible des investissements et de la maintenance des équipements Une vanne opérant sur un flux gazeux est en effet plus simple, plus fiable et moins couteuse qu'une vanne opérant sur un flux de solide, cet avantage devenant de plus en plus important quand la température de mise en oeuvre est plus élevée, particulièrement au-delà de 780°C. EXAMEN DE L'ART ANTERIEUR L'art antérieur est principalement représenté par le brevet FR2 948 177 qui décrit un procédé de combustion en boucle chimique dans lequel on contrôle la circulation des particules solides entre chacune des zones réactionnelles au moyen d'un dispositif consistant en une portion de canalisation sensiblement verticale, suivie d'une portion de canalisation sensiblement horizontale et d'un coude reliant les deux portions. 11 s'agit donc d'un système connu de l'homme du métier sous le nom de «jambe en L» qui nécessite l'injection d'un gaz d'un gaz de contrôle en amont du coude. La vanne en L ne permet pas cependant de répartir le débit entre plusieurs flux. Le contrôle du débit de solide dans une vanne en L dépend de la quantité de gaz injecté et du bilan pression ce qui rend complexe l'utilisation et le contrôle de plusieurs vannes en L opérant sur des 20 circuits en parallèle. La présente invention peut se définir comme une alternative au dispositif de jambe en L qui présente l'avantage d'une plus grande finesse de réglage et une plus grande facilité de contrôle du débit de solide circulant. 25 DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La figure 1 représente une vue schématique du dispositif selon la présente invention dans le cas où le riser principal comporte deux circuits de sortie comportant chacune un cyclone, les 30 lignes de retours de solide étant notés (5) et (7).
La figure 2 représente une courbe reliant le rapport du débit solide dans une branche sur le débit solide total (Ql/QT) au rapport de perte de charge dans le cas ou le flux de solides est divisé en deux branches grâce à deux circuits (DP1/DP2). On peut calculer des courbes caractéristiques similaires avec une répartition dans un nombre N de circuits.
La figure 3 représente une vue schématique du dispositif selon l'invention dans lequel le riser principal alimente 3 circuits de sortie, l'une des sorties solide revenant au riser principal (R1), et les deux autres allant vers d'autres unités appelées (R3) et (R4) pour les différencier du réacteur riser (R1) et de l'unité de regroupement des débits gaz (R2). Cette figure sert à illustrer l'exemple 3 de la présente demande. DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTION La présente invention consiste en un dispositif permettant de fixer et de réguler le débit de 15 solide issu d'un flux principal gaz/solide en provenance d'un écoulement de type riser, en N sous flux de valeur déterminée. Un écoulement de type riser signifie dans le cadre de la présente invention un écoulement gaz solide, le gaz ayant généralement une vitesse comprise entre 5 m/s et 30m/s, 20 préférentiellement entre 10 et 25 m/s, les particules solides ayant un diamètre compris entre 700 kg/m3 et 5000 kg/m3, préférentiellement de 800 à 3000 kg/m3, et le flux de solide pouvant varier de 5 à 1000 kg/s.m2 et préférentiellement de 30 à 500 kg/s.m2. L'écoulement gaz solide issu du riser est divisé en N circuits gaz solide qui comporte chacun 25 un ou plusieurs cyclones placés en série. A la sortie du dernier cyclone de chaque circuit I, on récupère un débit solide Qi et en tête du dernier cyclone sort un flux gaz qui, selon l'efficacité de la série de cyclones, peut contenir moins de 0,1% de solide, préférentiellement moins de 0.01% de solide. Il s'agit donc d'un flux qu'on peut considérer comme un flux gazeux. 30 L'organe déprimogène qui permet de contrôler la perte de charge de chacun des circuits I est situé en aval du cyclone (ou du dernier cyclone lorsqu'il en existe plusieurs en série).
Cet organe déprimogène est donc situé sur une ligne qui contient très majoritairement du gaz, et non plus une suspension gaz solide comme en entrée du ou des cyclones. Le dispositif selon l'invention repose sur le fait que le débit de solide circulant dans chacun 5 des circuits jusqu'aux cyclones est proportionnel au débit de gaz circulant dans chacun de ces circuits, et donc fonction de la perte de charge en aval des cyclones. En installant sur la ligne gaz en aval de chaque cyclone (ou ensemble de cyclones), un élément à perte de charge variable et pouvant être facilement contrôlé, on peut donc définir le 10 débit de solide quittant le cyclone (ou l'ensemble de cyclones en série). Plus précisément, la présente invention peut se définir comme un dispositif de contrôle et régulation de N débits solide (Q) issus d'un débit solide principal (Qt), chacun des débits de solide (Q) prenant une valeur déterminée, et la dite valeur pouvant être modifiée à volonté au cours du temps. 15 11 convient de bien distinguer le débit de la suspension initiale véhiculée dans le riser (R1) qui se compose d'un débit solide Q et d'un débit gaz Qg. Pour éviter toute ambiguïté dans la suite du texte, lorsqu'on parle d'un débit Q, (un seul 20 indice i), il s'agit du débit solide dans la ligne i. Lorsqu'on parle d'un débit Qgi,( double indice gi), il s'agit du débit gaz dans la ligne i. Le dispositif selon l'invention, permet de diviser le débit solide Qt en N débits solide Qi et le débit gaz Qg également en N débits gaz Qgi, en définissant chaque débit Q au moyen d'une 25 perte de charge créée par une vanne s'appliquant uniquement au débit gaz Qgi. De façon encore plus précise, la présente invention se définit comme un système de répartition d'un débit solide Q porté par un gaz vecteur et issu d'un riser, en N débits solide Qi,Q2..QN, alimentant respectivement N sorties solide, les débits Qi,Q2, Q3 étant non 30 nécessairement égaux entre eux, et vérifiant seulement la contrainte Qi+Q2+Q3+ ...+QN = Q, chaque sortie i du riser principal étant équipée d'un ou plusieurs cyclones fonctionnant en série, la vitesse de la suspension gaz solide à l'entrée de chaque cyclone de la série étant comprise entre 5 et 30 m/s, préférentiellement entre 15 et 25 m/s, et chaque ligne gaz i, étant au moins munie d'un organe déprimogène situé en aval du cyclone ou du dernier cyclone de la série, et permettant de créer une perte de charge variable DPi.
En fonction de la perte de charge DP, de chaque circuit i, il est possible de définir les N débits gaz Qgi, Qg2, Qg3...QgN selon les formules : Qgi= kopi)1/2 Qg2= k2 (Dp2)1/2 QgN= kN (DpN)1/2 Les constants k1,k2,...kN ne dépendant que du degré d'ouverture de l'organe déprimogène de la ligne i, degré d'ouverture ajustable par l'opérateur, de la géométrie et des singularités de la ligne i fixée par lors du dimensionnement de l'installation.
Comme les débits Qi sont proportionnels aux débits Qgi, on peut également définir les N débits de solide Qi, Q2, Q3...QN selon les formules : Qi= K1(DP1)112 Q2= K2 (DP2)112 QN= KN (DPN)1/2 Les constants K1,K2,...KN ne dépendant que du degré d'ouverture de l'organe déprimogène de la ligne i, ajustable par l'opérateur, de la géométrie et des singularités de la ligne i fixée lors du dimensionnement de l'installation, et de la concentration globale en solide dans le riser en amont fonction du rapport Qt/Qg Comme d'une part, DP1=DP2=...DP,, , et d'autre part Qgl+Qg2+ - - - Qgn=Qg OU Q1-EQ2+..Q'=Q, il est possible de fixer une valeur unique pour chacun des débits dans les différentes branches en fonction de la résistance à l'écoulement imposée par la constante ki ou Ki de chacune des branches.30 Dans le cas particulier où le nombre de circuits de sortie du riser principal est de 2, la relation entre le débit de solide Q1 ou Q2 sur une sortie (rapporté au débit total de solide Qt) et les constantes K1,K2 exprimant la perte de charge sur les lignes 1 et 2 est du type : Qi/Qt= 1/ (1-E(Ki/K2))=1/(1+(ki/1(2)) Q2/Qt= 1/ (1-E(K2/1(1))=1/(1+(k2/10) De façon préférée, les organes permettant de créer la perte de charge DPi, DP2...DPN sont choisis parmi les organes déprimogènes suivants : vannes travaillant sur des lignes de gaz ou 10 de fumées pouvant traiter des débits jusqu'à 5 000 000 nm3/h à des températures comprises entre 300 et 1500°C du type vanne à pelle ou vanne à double pelle. Le système de répartition d'un débit solide Qt selon la présente invention s'applique plus particulièrement à des suspension gaz solide dont les particules solide ont un diamètre 15 compris entre 50 et 500 microns, préférentiellement compris entre 60 et 300 microns, et une masse volumique de grain comprise entre 700 et 5000 kg/m3, préférentiellement comprise entre 1200 et 3500 kg/m3. Selon une variante du présent dispositif, il est possible d'associer un système de contrôle de la 20 pression du réacteur (R1) utilisant un organe de contrôle de la pression dans le riser (R1). Cet organe de contrôle de la pression du réacteur (R1) peut être une vanne agissant sur l'ensemble de l'effluent gazeux Qg, qui s'ouvre ou se ferme en fonction de la variation de la perte de charge 25 DP1=DP2=DPn résultant de l'ouverture ou de la fermeture combinée ou séparée des vannes V1... Vn sur les différents circuits. Le système de répartition d'un débit solide Qt selon la présente invention s'applique particulièrement à un procédé de combustion en boucle chimique dans lequel la zone 30 réactionnelle est constitué d'au moins un réacteur de type riser.
Le système de répartition d'un débit solide Qt selon la présente invention s'applique également au procédé de craquage catalytique en lit fluidisé comportant au moins un riser, par exemple dans le cas où existeraient plusieurs zones de régénération qui seraient à alimenter par des débits différenciés. 11 peut également s'appliquer à un procédé de combustion simple de charbon en lit circulant dans le cas où l'on souhaite contrôler de manière différenciée le recyclage du solide dans la zone de combustion pour mieux contrôler le transfert de chaleur par exemple.
Ces cas d'application ne sont pas limitatifs, et l'invention s'applique de manière plus générale à tout procédé utilisant un riser ou un lit circulant dans lequel on souhaite diviser et contrôler les flux de solides divisés en aval DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Le dispositif d la présente invention s'applique à un réacteur en lit fluidisé transporté de type riser (R1). Le solide (1) mis en oeuvre dans le lit fluidisé de type riser a une granulométrie adaptée à sa densité pour permettre une mise en oeuvre satisfaisante en lit fluidisé, i.e. pour permettre le transport. Pour cela l'homme du métier se réfère en général à la classification de Geldart dans laquelle on utilise un matériau des groupes A, B ou C et préférentiellement du groupe A ou du groupe B. A titre d'exemple non limitatif, un catalyseur FCC d'un diamètre moyen compris entre 50 et 701.tm, dont le taux de fines (<401.tm) est inférieur à 20% et dont la densité de grain est 25 comprise entre 1000 et 2000 kg/m3 est un solide du groupe A dans la classification de Geldart. Ce solide est introduit (1) dans (R1) au moyen d'un dispositif adapté tel qu'un transport pneumatique ou gravitaire de poudre ou par l'intermédiaire d'un dispositif d'injection 30 mécanique tel qu'une vis sans fin ou un sas. Le solide est transporté dans le riser (R1) au moyen d'un gaz vecteur (2) tel que la vitesse superficielle du gaz (Vsg) est très supérieure à la vitesse terminale de chute du solide (Ut).
La nature du gaz vecteur dépend de l'application visée à laquelle on destine le riser. Ce gaz vecteur peut être introduit dans le riser, ou résulter de la vaporisation d'un liquide introduit avec le gaz vecteur ou séparément dans le riser (R1).
Dans le cas où la fonction du riser est simplement le transport du solide à un niveau supérieur, on privilégiera un gaz neutre vis à vis du solide tel que de l'azote ou de la vapeur d'eau. Dans le cas où la fonction du riser est de transporter le solide, mais aussi d'être le lieu d'une 10 réaction pour ce solide, cas typique d'un riser de craquage catalytique, le gaz vecteur peut être l'un des réactifs mis en jeu dans la réaction. Dans ce dernier cas le gaz réactif peut ne pas être suffisant et nécessitera l'adjonction d'un complément de gaz vecteur pour effectuer le transport du solide dans de conditions de type 15 riser. En effet le solide (1), pour être transporté de manière satisfaisante dans l'unité doit être mis en contact avec un gaz ayant une vitesse superficielle Vsg en général comprise entre 5 et 30 m/s, et préférentiellement entre 5 et 20 m/s dans les conditions du procédé, la vitesse minimale de transport dépendant de la nature des particules et du débit de particules à transporter. 20 Le mélange gaz-solide sort de (R1) par les conduites (3) et (4) où il est respectivement séparé dans des ensembles de cyclones (S1) et (S2) en des effluents solides (5) et (7) d'une part, et en des effluents gazeux (6) et (8) d'autre part. 25 Les ensembles (S1) et (S2) peuvent être constitués de 1 ou plusieurs cyclones fonctionnant en série en fonction des contraintes de dépoussiérage imposées par le procédé. Les pertes de charges induites (V1) et (V2) pour modifier le bilan pression de l'unité, peuvent être établies par des plaques à orifice (contrôle statique) ou par des vannes de régulation 30 (contrôle dynamique). Dans le cas d'un contrôle statique, la répartition des flux de solides sera figée, dans le cas d'un contrôle dynamique, il sera possible d'ajuster la répartition des flux de solide dans les différents circuits pendant l'opération en modifiant l'ouverture de la vanne. Les effluent (6) et (8) peuvent être à des températures inférieures à1500°C en fonction du 5 procédé dans lequel 'invention est mise en oeuvre. Par exemple, si le réacteur (R1) est mis en oeuvre en tant que réacteur d'oxydation d'un porteur d'oxygène pour la CLC, la température des effluents gazeux peut être comprise entre 800 et 1200°C. 10 11 peut alors s'avérer avantageux de refroidir les effluents (6) et (8) de façon à ce que leur température soit compatible avec les éléments induisant les pertes de charges (V1) et (V2). On a alors recours à des échangeurs de chaleur (El) et (E2) produisant respectivement des effluents refroidis (9) et (11). Finalement, les effluents (10) et (12) peuvent, soit être reliés à 15 la même conduite, soit à un volume commun de traitement de l'effluent global (noté R2 sur la figure 1). Les pertes de charge induites résultent de la géométrie des conduites en aval du réacteur (R1) et des éléments de traitement de fumées telles que lignes, filtres, échangeurs de chaleur, 20 cheminée ou système de dépollution, et de l'implantation d'un élément de contrôle de la perte de charge tel qu'une vanne (V1) sur le circuit 1, (V2) sur le circuit 2), les vannes V1 et V2 étant toujours placées en aval respectivement des cyclones (S1) et (S2) ( ou du dernier des cyclones faisant partie de la série lorsqu'il y a plusieurs cyclones en série). 25 La perte de charge pour la branche 1 correspond à AP1=/((3)+(S1)+(6)+(E1)+(9)+(V1)+(10)) et 4P2=/((4)+(S2)+(6)+(E2)+(11)+(V2)+(12)) pour la branche 2. 11 en résulte des effluents gazeux à plus basse pression (10) et (12) respectivement. 30 Les débits de gaz passant par les deux branches peuvent être déduits à partir des expressions suivantes : DP1 = ai (Qgi)n avec n-2 DP2 = a2 (Qg2)n avec n-2 Où k, et k2 sont des coefficients de perte de charge qui dépendent des branches (B1) et (B2).
Ainsi, comme DP, et DP2 sont égaux et que la somme des débits Qg, est égale à Qg le rapport X des débits Qgi/Qg2 sera de : X= Qgl/Qg2 = Qi/Q2 (a2/ai)lin =k2/ki =1(2/Ki La valeur a, peut être fixée au moment de la conception de l'unité par l'adaptation de la géométrie des lignes de gaz en aval de (3) et (4) comme la section, la forme ou le parcours des 10 lignes. a, ne dépend alors que des conditions opératoires. Pour disposer d'une valeur de a, variable, et ainsi avoir un moyen de contrôle sur la circulation 15 du solide dans l'unité, on peut avoir recours à un dispositif de modulation de la perte de charge telle qu'une vanne. On peut aussi calculer le débit dans chaque branche en fonction du débit total Qi/Qt= 1/ (1+(a,/a2)°5) =1/ (1+(1(1/K2))=1/(1+(kiik2)) 20 Q2/Qt= 1/ (1+(a2/a,) 0.5) == 1/ (1+(K2/K1))=1/(1+(k2/10) La figure 1 correspond à la configuration de base de la présente invention dans laquelle le flux principal issu du riser (R1) est divisé en deux sous flux (3) et (4) conduisant respectivement aux flux (10) et (12) après avoir subi les pertes de charges DP1 et DP2. 25 La figure 3 correspond à une configuration plus élaborée de l'invention où l'on dispose de N=3 sorties sur le riser. 11 est facile de généraliser le dispositif selon la présente invention au cas de N sorties. 30 Le schéma S+E+V est reproduit N-2 fois de plus que précédemment pour disposer de ces N sorties. On définit alors des pertes de charges respectives /, telles que /i corresponde à la perte de charge induite par la sortie i, i étant compris entre 1 et N.
La répartition des flux de matière entre les différentes sorties se faisant alors par une pondération sur les pertes de charges induites.
L'intérêt de la configuration à N sorties est d'apporter de la flexibilité au présent dispositif, un cyclone pour être efficace nécessitant une plage de variation de +ou- 30% de la vitesse d'entrée du gaz par rapport à la vitesse nominale. La vitesse d'entrée dans chaque cyclone doit se situer dans la plage 5 à 25 m/s et 10 préférentiellement dans la plage 10 à 20 m/s. Bien entendu dans le cas de N sorties, il convient de respecter sur chacune des lignes et pour chacun du ou des cyclones de la ligne considérée la contrainte de vitesse à l'entrée desdits cyclones. 15 Un point important à considérer dans la mise en oeuvre de l'invention est le fait qu'en opération, si l'on souhaite modifier la répartition des débits entre les différentes branches, on ouvre ou on ferme une ou plusieurs vannes permettant de modifier la résistance à l'écoulement dans une ou plusieurs des branches. Il en résulte une nouvelle valeur de perte de 20 charge des branches DP1=DP2=DPn suite à l'équilibrage des débits en fonction des résistances rencontrées, et donc une variation de la pression dans le riser (R1) en amont. Si l'opération dans le riser est sensible à la valeur de pression absolue, cela pourrait affecter l'opération. Il est possible de remédier à cet effet, qui peut être indésirable, en installant un 25 organe de contrôle de la pression dans le riser (R1). A titre d'exemple, on pourra ainsi positionner en aval de (R2), sur (R1), une vanne agissant sur l'ensemble de l'effluent gazeux Qg, qui s'ouvre ou se ferme en fonction de la variation de la perte de charge DP1=DP2=DPn résultant de l'ouverture ou de la fermeture combinée ou séparée des vannes V1... Vn sur les différents circuits. Cette action combinée permet de maintenir une pression dans le riser (R1) 30 constante, tout en contrôlant la répartition des différents flux de solide en aval du riser.
EXEMPLES SELON L'INVENTION 5 Exemple 1 : L'exemple 1 ci-dessous illustre le principe de la régulation de la répartition du débit entre deux lignes (ou circuits), en sortie d'un riser. On considère le cas de deux sorties du riser identiques constituées de lignes de géométrie identique et munies d'un cyclone et d'une 10 vanne. on peut ajuster la résistance à l'écoulement de chacune des lignes en faisant varier l'ouverture des vannes V1 ou V2. La résistance dans chaque branche à l'écoulement est exprimée par le coefficients K, si elle est rapportée au débit de solide, par le coefficient k, si elle est rapportée au débit de gaz ou par le coefficient ai si elle est rapportée à la perte de charge. On notera que, mathématiquement k, est égal à ai° 5 15 La figure 2 illustre la relation qui existe entre le rapport des résistances des deux lignes 1 et 2 exprimées par le rapport Ki/K2 ou le rapport al/a2 et le débit solide constaté sur chacune de ces sorties, en l'occurrence la sortie 1 sous la forme du rapport (Q1/QT). Le rapport de résistance des deux lignes varie en fonction de l'ouverture relative des deux vannes l'une par 20 rapport à l'autre dans chaque circuit. Si sur les deux circuits, les deux vannes sont ouvertes à l'identique, alors kl=2 (ou al = a2) et K1 =K2. Le débit circulant dans le premier circuit est alors égal au débit circulant dans le deuxième circuit et correspond à la moitié du débit total. Si on ferme la vanne sur le premier circuit, alors le rapport kl/k2 (ou (al/a2 ou K1/K2) augmente, et le débit circulant dans la première branche diminue, comme représenté sur la 25 figure 2. En appliquant un ratio al/a2 de 100 correspondant à un ratio kl/k2 ou K1/K2 de 10 on provoquera une baisse du débit dans la branche 1 à 10% du débit principal Q. Exemple 30 Cet exemple illustre une mise oeuvre de l'invention dans laquelle on souhaite réaliser un recycle d'un solide transporté dans le riser lui-même. Ce recycle permet d'ajuster le temps de séjour moyen des particules de solide dans ce riser. Il peut être nécessaire dans le cas où le riser est le siège de réactions chimiques nécessitant un temps de séjour important.
On souhaite réaliser un recycle équivalente à 3 fois le débit d'alimentation en solide (1). On considère une alimentation du riser en solide (1) avec du sable. Ce sable a une densité de 5 grain de 2500 kg/m3 et un diamètre moyen de 200 !am ( 1 !am= 10-6 mètre). Le riser est fluidisé à l'air et la température dans le riser est de 25 °C. Le riser a un diamètre de 0,75 m et la vitesse du gaz est d'environ 15m/s/ Le débit de solide arrivant en (1) est de 66 kg/s. En sortie du riser, 4 lignes constituées chacune d'un cyclone et d'une vanne sont 10 disposées. 3 des cyclones ont leur ligne de retour du solide séparé connectées au bas du riser alors que la ligne de retour solide du quatrième cyclone est connectée à un autre réacteur. Les pertes de charge liées aux quatre lignes sont identiques quand les vannes ont la même ouverture. Dans ces conditions, le débit de solide circulant dans le riser est égal à 3 fois le débit entrant par la ligne (1) et le taux de recyclage du solide est de 3. 15 Le même résultat pourrait être obtenu en utilisant un système où, en sortie du riser, deux lignes seulement constituées d'un cyclone et d'une vanne sont connectées au riser, la sortie solide du cyclone de la ligne 1 étant connectée au bas du riser. Il faut alors cependant provoquer une résistance plus forte dans une des deux lignes de façon à ce que le rapport 20 Q1/Q2 soit égal à 3, d'où Q1= 0,75 Qt. Dans ces conditions, la résistance à l'écoulement dans la ligne 1 doit être réduite pour favoriser l'écoulement dans cette ligne. Comme il est montré sur la figure 2, on arrive à un rapport de la résistance à l'écoulement de la ligne 1 par rapport à la ligne 2 al/a2 de 0,1, ou un rapport K1/K2 (ou k2/k1) de 0,3 environ. 25 Exemple 3 La description du système est montrée sur la figure 3. En sortie du riser, le flux est divisé en trois zones équivalentes constituées chacune d'un 30 cyclone primaire (S lp, S2p, S3p), d'un cyclone secondaire (S 1 s, S2s, S3s), d'une vanne de contrôle localisée en aval du cyclone secondaire (respectivement V1, V2, V3), dans laquelle ne passe que le gaz, l'ensemble des particules ayant été séparées avec une efficacité supérieure à 99,99% dans les deux cyclones successifs ( S lp/Sls par exemple pour la ligne 1). Le premier flux recycle les solides séparés aux deux cyclones primaires et secondaire au riser, 5 le deuxième flux dirige les solides séparés vers un premier réacteur (noté R3), alors que le 3eme flux dirige les particules vers un second réacteur (noté R4). A l'issue de leur passage dans les réacteurs 3 et 4, les solides sont recyclés vers le riser (R1). 10 L'ensemble des sorties gaz en aval des vannes ( V1,V2,V3) se rejoignent dans une enceinte (R2). La longueur des lignes et le nombre de coude sur les lignes entre la sortie riser et le point de jonction des lignes sont équivalentes. 15 Le riser fonctionne avec les caractéristiques suivantes : - vitesse superficielle de gaz en sortie de 20 m/s, - flux de solide de 100 kg/s/m2 - particules de diamètre moyen 70 microns 20 - masse volumique de grain 1500 kg/m3. La masse volumique du gaz est d'environ 1 kg/m3 et la circulation de solide dans le riser d'environ 1272 t/h. Le débit total de gaz est de 70,69 m3/s. 25 Les cyclones primaires et secondaires de chaque ligne sont dimensionnés pour avoir aux conditions nominales de fonctionnement de l'installation une vitesse dans la lucarne d'entrée de 20m/s. Les vannes situées en aval des cyclones secondaires ( V1,V2 et V3) sont dimensionnées pour 30 provoquer une restriction de section de 20% seulement à pleine ouverture.
Le coefficient de perte de charge dans les différents éléments, résultant du dimensionnement est données dans le tableau ci-dessous (DP = a Qg2). Cyclone primaire acp =6 2 , Cyclone secondaire acs= 7,1 Lignes a1= 0,7 TABLEAU 1 a)Chaque vanne Vi possède un coefficient de perte de charge a, variable qui varie en fonction de l'ouverture de la vanne. Dans les conditions normales d'utilisation, à 50% d'ouverture, le coefficient ai, de la vanne est égal à 7,6 et le coefficient a, global de chacune des lignes est égal à 21,6 .
Dans les conditions normales de fonctionnement, les pertes de charges sont équivalentes dans les trois lignes. Les différentes pertes de charges sont détaillées dans le tableau 2 ci-dessous : DP cyclone primaire 3433 Pa DP cyclone secondaire 3924 Pa DP ligne 392 Pa DP vanne 4219 Pa DP totale 11968 Pa TABLEAU 2 11 en résulte un débit de gaz similaire de 23,6 m3/s circulant dans les trois systèmes résultant de la résolution de la résolution des trois équations. DP1= DP2 = a1Qg12=a2Qg22 DP DP DP2= - 3 = a2Qg22=a2Qg22 Qgt= Qg 1 ±Qg2±Qg3 La vitesse du gaz dans l'entrée des cyclones est de 20m/s et le débit de solide retourné vers le riser est égal au débit de solide allant vers le premier et au débit de solide allant vers le deuxième réacteur (424 t/h). b) On souhaite maintenant modifier le débit de solide recyclé au riser, tout en maintenant des débits égaux entre eux allant vers les deux réacteurs R3 et R4. La vanne de la première ligne est fermée pour réduire son ouverture à 23,5% de la pleine ouverture. Le coefficient de la vanne de la première ligne a, est donc modifié et devient av= 34,4. 11 en résulte un déséquilibre des constantes al entre les trois lignes et les débits de gaz sont de ce fait déséquilibrés. Le tableau 3 ci-dessous résume les constantes des différentes lignes, les débits dans chacune des lignes et les différentes pertes de charge, ainsi que les débits de solides séparés par les 15 cyclones pour chacune des trois lignes. Ligne 1 Ligne 2 Ligne 3 Constante ligne (al) 48,4 21,6 21,6 Débit de gaz Qgi (m3/s) 15 26,5 26,5 Débit de solide QI (Tt/h) 280 496 496 DP cyclone primaire (Pa) 1936 4342 4342 DP cyclone secondaire 2212 4962 4962 (Pa) DP ligne (Pa) 221 496 496 DP vanne (Pa) 10767 5335 5335 DP totale (Pa) 15136 15136 15136 TABLEAU 3 Le débit de gaz dans chaque ligne résulte de la résolution des trois équations : 20 DP1= DP2 = a1Qg12=a2Qg22 DP2= DP3 = a2Qg22=a2Qg2 Qgt= Qg 1 ±Qg2±Qg3 2 La vitesse du gaz dans l'entrée des cyclones de la première ligne est de 15m/s . La vitesse du gaz dans l'entrée des cyclones de la deuxième et de la troisième ligne est de 5 22,5m/s, ce qui permet aux cyclones de fonctionner de manière satisfaisante (dans la gamme 15-25m/s). c) On souhaite maintenant modifier le débit de solide recyclé au riser, tout en maintenant des débits égaux entre eux allant vers les deux réacteurs. La vanne de la première ligne est 10 ouverte à 70% de la pleine ouverture, et les vannes des deux autres lignes sont ouvertes à 29%. Le coefficient de la vanne de la première ligne ai, est donc modifié et devient av= 3,8 et le coefficient ai, des deux autres lignes devient 22,6. 11 en résulte un nouveau déséquilibre des constantes al entre les trois lignes et les débits de gaz 15 sont de ce fait déséquilibrés, plus de gaz circulant dans la première ligne et moins de gaz circulant dans les deux dernières lignes. Le tableau 4 ci-dessous résume les constantes des différentes lignes, les débits dans chacune des lignes et les différentes pertes de charge, ainsi que les débits de solides séparés par les 20 cyclones des différentes lignes Ligne 1 Ligne 2 Ligne 3 Constante ligne (al) 17,8 36,5 36,5 Débit de gaz Qgi (m3/s) 29,9 20,6 20,6 Débit de solide QI (Tt/h) 530 371 371 DP cyclone primaire (Pa) 5377 2624 2624 DP cyclone secondaire 6146 2999 2999 (Pa) DP ligne (Pa) 615 300 300 DP vanne (Pa) 3371 9585 9585 DP totale (Pa) 15509 15508 15508 TABLEAU 4 Le débit de gaz dans chaque ligne résulte de la résolution de la résolution des trois équations : DP1= DP2 = a1Qg12=a2Qg22 DP2= DP3 = a2Qg22=a2Qg2 Qgt= Qg 1 ±Qg2±Qg3 La vitesse du gaz dans l'entrée des cyclones de la première ligne est de 25m/s. La vitesse du gaz dans l'entrée des cyclones de la deuxième et de la troisième ligne est de 22,5m/s, ce qui permet aux cyclones de fonctionner de manière satisfaisante (dans la gamme 10 15-25m/s). A travers ces deux exemples on montre qu'il est possible de faire varier le débit de recyclage au riser d'un facteur 2, sans utiliser de vannes sur les lignes dans lesquelles circulent le solide. 15 d) Un dernier exemple montre qu'il est également possible d'avoir trois débits différents dans les différentes lignes. La vanne de la première ligne est ouverte à 40% de la pleine ouverture. La vanne de la deuxième ligne est ouverte à 26% de la pleine ouverture.
20 La vanne de la troisième ligne est ouverte à 100% de la pleine ouverture. Le coefficient de la vanne de la première ligne a, est donc modifié et devient av= 11,9. Le coefficient a, de la deuxième ligne devient a, =28,1 et celui de la troisième ligne av=1,9. 11 en résulte un nouveau déséquilibre des constantes a entre les trois lignes.
25 Le tableau 5 ci-dessous résume les constantes des différentes lignes, les débits dans chacune des lignes et les différentes pertes de charge, ainsi que les débits de solides séparés par les cyclones des différentes lignes.
2 30 Ligne 1 Ligne 2 Ligne 3 Constante ligne (al) 25,8 42,1 15,9 Débit de gaz Qgi (m3/s) 23,1 18,1 29,5 Débit de solide QI (Tt/h) 415 326 531 DP cyclone primaire (Pa) 3300 2026 5376 DP cyclone secondaire 3772 2316 6144 (Pa) DP ligne (Pa) 377 232 614 DP vanne (Pa) 6336 9210 1651 DP totale (Pa) 13785 13785 13785 TABLEAU 5 Le débit de gaz dans chaque ligne résulte de la résolution de la résolution des trois équations : 5 DPi= DP2 = aiQgi2=a2Qg22 f-% DP2= DP3 = a2Vg22 =a2Vg22 Qgt= Qgt +Qg2+Qg3 La vitesse du gaz dans l'entrée des cyclones de la première ligne est de 19,6m/s. La vitesse du gaz dans l'entrée des cyclones de la deuxième ligne est de 18,1m/s et de 25m/s dans la troisième ligne, ce qui permet aux cyclones de fonctionner de manière satisfaisante (dans la gamme 15-25m/s). 10 15

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1- Système de répartition d'un débit solide Qt porté par un gaz vecteur de débit Qg dans un écoulement de type riser en N débits Q1,Q2..QN, alimentant respectivement i sorties, les 5 débits Q1,Q2, Q3 étant non nécessairement égaux entre eux, et vérifiant seulement la contrainte Q1+Q2+Q3+ ...+QN = Qt, chaque sortie i du riser principal étant équipée d'un ou plusieurs cyclones fonctionnant en série, permettant la séparation du débit solide Qi et du débit gaz Qgi, et chaque ligne gaz i étant munie d'un organe déprimogène mécanique situé en aval du dernier cyclone de la série, noté (Vi), permettant de créer une perte de charge variable 10 Dpi = ai Qgi2 Qgi désignant le débit de gaz en aval le long de la ligne i, de manière que par un ajustement adéquate des pertes de charge DP1,DP2,DP3,..DPN de chaque ligne gaz réalisé au moyen des constantes ai , on définit les N débits solide Ql, Q2, Q3...QN, les constants al,a2,...aN ne 15 dépendant que du degré d'ouverture de l'organe déprimogène (Vi) de la ligne i, et étant fixées de manière que les débits Ql, Q2...QN prennent des valeurs recherchées.
  2. 2- Système de répartition d'un débit solide Qt porté par un gaz vecteur selon la revendication 1, dans lequel lorsque N=2, la relation entre le débit de solide (Q) sur une sortie (rapporté au 20 débit total de solide Qt) et le rapport des pertes de charge sur chacune des lignes, soit DP1/DP2 est du type : Qi/Qt= 1/ (1+(ada2)OE5) =1/ (1+(Ki/K2)) = 1/(1+(ki/k2)) Q2/Qt= (1+(a2/ai) 0.5) == 1/ (1±(K2/1(1) )= 1/(1+(k2/k1)) 25 Avec Qi= Ki(DP1)112 Q2= K2 (DP2)112 Et avec k1 égal à agas 30
  3. 3- Système de répartition d'un débit solide Qt porté par un gaz vecteur selon la revendication 1, dans lequel chacun des organes permettant de créer la perte de charge DP1, DP2...DPN est choisi parmi les organes déprimogènes suivants :vannes pouvant travailler sur des débits gazallant jusqu'à 5000 000 Nm3/h et à des températures supérieures à 700°C du type vannes à pelle ou double pelle.
  4. 4- Système de répartition d'un débit solide Qt porté par un gaz vecteur selon la revendication 5 1, dans lequel les particules solide ont un diamètre compris entre 50 et 200 microns, et une masse volumique de grain comprise entre 700 et 5000 kg/m3, préférentiellement entre 800 et 3000 kg/m3.
  5. 5- Système de répartition d'un solide Qt porté par un gaz vecteur selon la revendication 1, 10 dans lequel l'écoulement de type riser signifie un écoulement gaz solide, le gaz ayant une vitesse comprise entre 5 m/s et 30m/s, préférentiellement entre 10 et 25 m/s, et le flux de solide pouvant varier de 5 à 1000 kg/s.m2, et préférentiellement de 30 à 500 kg/s.m2.
  6. 6- Système de répartition d'un débit solide Qt porté par un gaz vecteur selon la revendication 15 1, dans lequel la vitesse de la suspension gaz solide à l'entrée de chaque cyclone de la série est comprise entre 5 et 25 m/s, préférentiellement comprise entre 10 et 20 m/s.
  7. 7- Système de répartition du débit de solide Qt porté par un gaz vecteur selon la revendication 1, dans lequel on associe un système de contrôle de la pression du réacteur (R1) utilisant un 20 organe de contrôle de la pression dans le riser (R1).
  8. 8- Système de répartition du débit solide Qt porté par un gaz vecteur selon la revendication 7, dans lequel l'organe de contrôle de la pression du réacteur (R1) est une vanne agissant sur l'ensemble de l'effluent gazeux Qg, qui s'ouvre ou se ferme en fonction de la variation de la 25 perte de charge DP1=DP2=DPn résultant de l'ouverture ou de la fermeture combinée ou séparée des vannes V1... Vn sur les différents circuits.
  9. 9- Application du système de répartition du débit solide Qt porté pr un gaz vecteur selon l'une des revendications 1 à 8, à un procédé de combustion en boucle chimique dans lequel la zone 30 réactionnelle concernée par le contrôle de la répartition du débit de solide en sortie est constitué au moins d'un réacteur de type riser.
  10. 10- Application du système de répartition du débit solide Qt porté par un gaz vecteur selon l'une des revendications 1 à 8, au procédé de craquage catalytique en lit fluidisé dans lequel la 35 zone réactionnelle concernée par le contrôle de la répartition du débit de solide en sortie est constitué au moins d'un réacteur de type riser.
  11. 11- Application du système de répartition du débit solide Qt porté par un gaz vecteur selon l'une des revendications 1 à 8, au procédé de combustion du charbon en lit circulant.5
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