WO2000053312A1 - Reacteur catalytique a faisceau de plaques - Google Patents

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Pierre Joly
Dominique Sabin
Régis Huguet
Gilbert Graille
Pierre Bussonnet
Eric Gilbert-Desvallons
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Definitions

  • the subject of the present invention is a plate beam catalytic reactor for carrying out a heat transfer between a reactive fluid reacting on contact with a catalyst and a heat transfer fluid which provides or withdraws heat to the reactive fluid in order to increase the chemical reaction yield.
  • treatment processes are used which employ reactors in which occur, between a reactant fluid and a catalyst, chemical reactions which are highly endothermic or exothermic and in which heat transfer is performed between the reactant fluid and a heat transfer fluid.
  • catalytic reactors formed by a sealed enclosure 1 inside which are arranged parallel tubes filled with catalyst.
  • the reactant fluid circulates in these tubes inside which the chemical reaction takes place and the heat transfer fluid circulates outside of said tubes, between them and the internal wall of the enclosure.
  • catalytic plate reactors comprising a bundle of corrugated plates delimited both a first circulation circuit of the reactant fluid through a catalyst bed and a second circulation circuit of the heat transfer fluid.
  • Catalytic plate reactors offer a better heat exchange coefficient than catalytic tube reactors, but they have certain drawbacks.
  • the heat exchange bundle is formed by a stack of corrugated and rectangular plates and therefore has a generally parallelepiped shape.
  • the bundle of plates is placed in a sealed enclosure which has a generally cylindrical shape.
  • the general parallelepipedal shape of the bundle of plates proves to be an obstacle to an optimal use of the internal space of the cylindrical enclosure which brings an economic limitation to this type of catalytic reactors taking into account the high price of 1 ' waterproof enclosure.
  • the two fluids circulating in the plate bundle can be at different pressures so that the adjacent plates tend to be pressed against each other by the pressure difference between these fluids.
  • the mechanical strength of the corrugated plates is limited by the maximum thickness of the metal constituting the plates due to the shaping of these plates to produce the corrugations which reduces the fields of use of this type of catalytic reactors.
  • an additional disadvantage of corrugated sheets is the limited access they allow inside the bundle of sheets to inspect these . plates during catalytic reactor shutdowns.
  • the object of the invention is to avoid these drawbacks by proposing a catalytic plate reactor with reduced compactness and better resistance to the pressure difference between the fluids that the catalytic reactors used until now.
  • the subject of the invention is therefore a catalytic plate reactor for carrying out a heat transfer between a reactive fluid reacting in contact with a catalyst and a heat transfer fluid, of the type comprising a sealed enclosure, vertical and of elongated shape, a bundle of plates arranged inside one of said sealed enclosure and means for admitting and discharging reactant and heat transfer fluids, characterized in that the enclosure is of circular shape and in that the bundle of plates is formed by plates of frustoconical shape superimposed on each other and delimiting between them, on the one hand, a series of channels containing the catalyst and forming a first circuit for circulation of the reactant fluid and, on the other hand, a series of channels forming a second circuit for circulation of the heat-transfer fluid, the first circuit and the second circuit communicating with the means for admitting and discharging the reactant fluid respectively t heat transfer fluid.
  • the catalytic reactor comprises means for loading and unloading the catalyst from the series of channels forming the first circuit for circulation of the reactant fluid,
  • the frustoconical plates are smooth or have undulations
  • the channels of the first circuit and of the second circuit are alternated with respect to each other, the plates of the bundle of plates form, on the one hand, in the axis of the sealed enclosure, a central well into which opens a first end of the channels of the first and second circuits respectively and, on the other hand, with said sealed enclosure an annular space into which opens a second end of the channels of the first and second circuits respectively,
  • the means for admitting the reactant fluid comprise an inlet pipe passing through the sealed enclosure and connected with the lower end of the central well of the bundle of plates in order to put the first end of the channels forming the first circulation circuit into communication this fluid reacting with said inlet pipe
  • the means for discharging the reactant fluid comprise an outlet pipe opening into said sealed enclosure at the level of the annular space and communicating with the second end of the channels forming the first circuit of circulation of this reactant fluid
  • the means for admitting the heat-transfer fluid comprise a main tube passing through the sealed enclosure and conduits each connecting said main tube and a vertical internal manifold extending over the entire height of the central well and covering a portion of the first ends channels forming the circuits,
  • the means for evacuating the heat transfer fluid comprise several conduits passing through the sealed enclosure and each connected to a vertical external collector extending over the entire height of the bundle of plates at the level of the annular space and covering a portion of the seconds ends of the channels forming the circuits, the internal collectors and the external collectors are distributed in a star,
  • the first ends of the channels forming the first circuit and situated between the internal collectors are open and the first ends of said channels situated below the internal collectors are each closed for example by a plate,
  • the second ends of the channels forming the second circuit and located between the external collectors are each closed for example by a plate and the second ends of said channels located below the external collectors are open,
  • the means for loading the catalyst into the channels of the first circuit are formed by an inlet pipe passing through the upper part of the sealed enclosure and connected to the first open ends of the channels forming the first circuit by a tubular sheath disposed in the well central and extending over the entire height of said central well, said tubular sheath allowing the passage of the reactant fluid from the inlet tubing to said first open ends,
  • the means for discharging the catalyst from the channels of the first circuit are formed by an outlet pipe leading to the lower part of the watertight enclosure and connected to the second open ends of the channels forming the first circuit by a tubular sheath disposed in the annular space and extending from the upper edge of the plate bundle to the lower part of said sealed enclosure, said tubular sheath allowing the passage of the reactant fluid from said second open ends to the outlet pipe.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view partially cut away of a catalytic reactor according to the invention
  • - Fig. 2 is a cross-sectional view of the catalytic reactor according to the invention
  • - Figs. 3 to 6 are partial views and on a larger scale respectively according to the details 3 to 6 of FIG. 2
  • - Fig. 7 is a partial developed view of the internal face of the bundle of plates of the catalytic reactor according to the invention
  • FIG. 8 is a partial developed view of the external face of the bundle of plates of the catalytic reactor according to the invention.
  • FIGS. 1 and 2 show schematically a catalytic plate reactor designated as a whole by the reference 1 and intended more particularly for highly endothermic or exothermic chemical reactions, in which heat transfer takes place between a fluid reactant A which reacts on contact with a catalyst and a heat transfer fluid B which provides or withdraws heat to the reactant fluid A.
  • the transfer of heat between the two fluids A and B makes it possible to increase the yield of the chemical reaction.
  • the sealed enclosure 1 is formed by a cylindrical central part 2 arranged vertically and provided, at its upper end, with an upper convex bottom 3 and, at its lower end, with a lower convex bottom 4.
  • a bundle of plates designated by the general reference 10 extending over a part of the length of this sealed enclosure 1 and oriented along the vertical axis of said sealed enclosure 1.
  • the bundle of plates 10 is formed by plates 11 each of frustoconical shape superimposed relative to one another so as to delimit between them intervals the slope of which is directed from top to bottom with respect to to the axis of the sealed enclosure 1.
  • the delimited intervals between the plates 11 determine, on the one hand, a series of channels 20 forming a first circuit for circulation of the reactant fluid A and, on the other hand, a series of channels 30 forming a second circuit for circulation of the heat-transfer fluid B.
  • the channels 20 of the first circuit and the channels 30 of the second circuit are alternated with respect to each other and in the embodiment shown in the figures, the channels 20 are arranged between the channels 30.
  • the channels 20 of the first circuit circulation of the reactant fluid A are filled with a catalyst 5 formed by grains of small dimensions and of any shape.
  • the plates 11 superimposed on the bundle of plates 10 determine, on the one hand, in the axis of the sealed enclosure 1 a central well 6 and, on the other hand, with said sealed enclosure 1 a peripheral annular space 7.
  • the catalytic reactor also comprises means for admitting and evacuating the reactant fluid A, means for admitting and evacuating the heat transfer fluid B and means for loading and unloading the catalyst 5 from the series of channels 20 forming the first circulation circuit of said reactant fluid A.
  • the means for admitting the reactant fluid A comprise an inlet pipe 23 passing through the lower convex bottom 4 of the sealed enclosure 1 and connected with the lower end of the central well 6 of the bundle of plates 10 to put in communication the first end 21 of the channels 20 forming the first circuit for circulation of the reactant fluid A with said inlet pipe 23.
  • the means for evacuating this reactant fluid A after the passage of the latter in the channels 20 containing the catalyst 5 comprises an outlet pipe 24 opening out substantially in the middle part of the enclosure watertight 1 at the peripheral annular space 7 and communicating with the second end 22 of the channels 20 which opens into this peripheral annular space 7.
  • the means for admitting the heat transfer fluid B comprise a main pipe 33 passing through the upper convex bottom 3 of the sealed enclosure 1 and conduits 34 each connecting said main pipe 33 with a vertical internal manifold 35.
  • Each internal manifold 35 extends over the entire height of the central well 6 and covers a portion of the first end 31 of the channels 30 forming the second circulation circuit of said heat transfer fluid B.
  • FIG. 7 which is a partial developed view of the internal wall of the bundle of plates 10, that is to say of the internal face at the level of the central well 6, the reactant A and coolant B fluids are channeled respectively in the channels 20 and the channels 30.
  • the first ends 21 of the series of channels 20 forming the first circuit for circulation of the reactant fluid A and situated between the internal collectors 35 are open and the first ends 21 of said channels 20 situated below the collectors internals 35 are each closed for example by a plate 25.
  • first ends 31 of the series of channels 30 forming the second circuit for circulation of the heat transfer fluid B and located between the internal collectors are each closed for example by a plate 36 while the first ends 31 of these channels 30 located at the above the internal collectors 35 are open.
  • the means for evacuating the heat transfer fluid B comprise several independent conduits 37 which pass through the lower curved bottom 4 of the sealed enclosure 1 and which are each connected to a vertical external manifold 38 disposed in the annular space 7.
  • Each external manifold 38 extends over the entire height of the external wall of the bundle of plates 10 at said annular space 7 and covers a portion of the second end 32 of the series of channels 30 forming the second circulation circuit of the heat transfer fluid B.
  • FIG. 8 which is a partial developed view of the external face of the bundle of plates 10, that is to say at the level of the annular space 7, the second ends 22 of the channels 20 forming the first circuit for circulation of the reacting fluid A and situated between the external collectors 38 are open while the second ends 22 of said channels 20 situated below the external collectors 38 are each closed for example by a plate 26.
  • the second ends 32 of the channels 30 forming the second circuit for circulation of the heat transfer fluid B and located between the external collectors 38 are each closed for example by a plate 39 and the second ends 32 of said channels 30 located below external collectors 38 are open.
  • the means for loading the catalyst 5 through the first ends 21 of the channels 20 inside the first circulation circuit of the reactant fluid A are formed by an inlet pipe 40 passing through the upper convex bottom 3 of the sealed enclosure 1 and connected to the first open ends 21 of the channels 20 forming said first circuit cooked, by a tubular sheath 41 disposed inside the central well 6.
  • the inlet pipe 40 opens into a manifold 42 fixed on the upper end of the central well 6.
  • a cone 43 is arranged inside the manifold 42 on the upper end of the central well 6 so as to channel the catalyst 5 discharged through the inlet pipe 40 inside the tubular sheath 41 towards the inlets 21 of the series of channels 20.
  • the bottom of the central well 6 is closed by a horizontal plate 44 formed by a grid.
  • the lower part of the internal collectors 35 is closed by an annular grid leaving free the central section of the well 6.
  • the tubular sheath 41 extends over the entire height of the central well 6 and allows the passage of the reactant fluid A of the inlet pipe 23 to the first open ends 21 of the series of channels.
  • this tubular sheath 41 is formed by a grid.
  • the means for discharging the catalyst 5 from the channels 20 of the first circulation circuit of the reactor fluid A when this catalyst 5 is worn out, are formed by an outlet pipe 45 passing through the lower convex bottom 4 of the sealed enclosure 1 and which is connected at the second open ends 22 of the channels 20 forming the first circuit by a tubular sheath 46 (Figs. 2 and 6) disposed in the peripheral annular space 7.
  • This tubular sheath 46 extends from the upper edge of the outlets 32 of the channels 30 of the plate bundle 10, to the lower part of the enclosure 1 and allows the passage of the reactant fluid A from the second open ends 22 to the outlet pipe 45.
  • the tubular sheath 46 is formed by a grid.
  • the plates 25, 36 and 26, 39 are welded to the edges 11 of the plate bundle 10 and the collectors 35 and 38 are also welded to the plates 11 and can also be used to hold these plates together.
  • the reactant fluid A arriving through the inlet pipe 23 passes through the grid 44 and spreads into the central well 6.
  • This reactant fluid A enters the series of channels 20 of the first circuit through the first open ends 21 of these channels 20.
  • the reactant fluid A After passing through the series of channels 20, the reactant fluid A passes through the tubular sheath 46, spreads inside the sealed enclosure 1 and is discharged through the outlet pipe 24.
  • the heat transfer fluid B arrives via the main pipe 33 and through the conduits 34 in the internal collectors 35.
  • the heat transfer fluid B enters the series of channels 30 of the second circuit passing through the open ends 31 of this second circuit and diffuses uniformly in all of the channels 30.
  • this heat transfer fluid performs a heat transfer by providing or removing heat from the reactant fluid 1, which makes it possible to increase the yield of the chemical reaction.
  • the heat transfer fluid B exits through the second open ends 32 of the channels 30, then is recovered by the external collectors 38 and is evacuated by the outlet conduits 37.
  • the plates 11 of frustoconical shape of the beam of plates 10 can be smooth or have corrugations.
  • the outlet pipe 45 is open and the catalyst 5 flows through this outlet pipe 45 and, due to the slope of the channels 20, this catalyst 5 is evacuated from said channels 20.
  • the outlet pipe 45 is closed and the new catalyst 5 is discharged through the inlet pipe 40 inside the tubular sheath 41 and spreads in the channels 20 of the first circuit of circulation of reactant fluid A.
  • the configuration of the reactor according to the invention offers the advantage of a truly co-current heat exchange configuration, over the major part of the exchange length.
  • the configuration of the catalytic reactor according to the invention makes it possible to be able to circulate fluids at higher pressure differences.
  • the catalytic reactor according to the invention has the advantage, by its design, of being compact thanks to the shape of the bundle of plates which advantageously fills the space of the sealed envelope which thus makes it possible to reduce the cost of this waterproof envelope.
  • the catalytic reactor according to the invention has better resistance to the pressure difference between the fluids, also thanks to the shape of the plates making up the bundle of plates, which makes it possible to balance the pressure difference by developing a stress. circumferential that it is easy to maintain below a given admissible value for the material making up the plates, by adjusting the thickness of these plates.
  • the catalytic reactor according to the invention allows easy filling of catalyst due to the slope of the channels and easier access to the interior of the plate bundle for cleaning or maintenance inspection.

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Abstract

L'invention a pour objet un réacteur catalytique, du type comprenant une enceinte étanche (1), verticale et de forme allongée, un faisceau de plaques (10) et des moyens d'admission et d'évacuation d'un fluide réactant et d'un fluide caloporteur. L'enceinte (1) est de forme circulaire et le faisceau de plaques (10) est formé par des plaques (11) de forme tronconique, superposées les unes par rapport aux autres et délimitant entre elles, d'une part, une série de canaux (20) contenant un catalyseur et formant un premier circuit de circulation du fluide réactant et, d'autre part, une série de canaux (30) formant un second circuit de circulation du fluide caloporteur.

Description

Réacteur catalytique à faisceau de plaques
La présente invention a pour objet un réacteur catalytique à faisceau de plaques pour réaliser un transfert thermique entre un fluide reactant réagissant au contact d'un catalyseur et un fluide caloporteur qui apporte ou re- tire de la chaleur au fluide reactant afin d'augmenter le rendement de la réaction chimique.
Dans de nombreuses industries, comme par exemple les industries pétrochimiques et chimiques, on utilise des procédés de traitement qui mettent en oeuvre des réacteurs dans lesquels se produisent, entre un fluide reactant et un catalyseur, des réactions chimiques qui sont fortement endothermiques ou exothermiques et dans lesquels un transfert de chaleur est réalisé entre le fluide reactant et un fluide caloporteur. Pour cela, il est connu d'utiliser des réacteurs catalytiques formés par une enceinte étanche à 1 ' intérieur de laquelle sont disposés des tubes parallèles remplis de catalyseur.
Le fluide reactant circule dans ces tubes à l'intérieur desquels se produit la réaction chimique et le fluide caloporteur circule à l'extérieur desdits tubes, entre ceux-ci et la paroi interne de l'enceinte.
Le principal inconvénient de ce type de réacteurs catalytiques réside dans leurs dimensions, car, pour de grosses unités, le nombre et la longueur des tubes deviennent rapidement très importants et les dimensions de l'appareil excessives.
En effet, la perte de charge dans le catalyseur impose une longueur maximum des tubes et par conséquent un nombre important desdits tubes.
Lorsque cette longueur est faible et que le volume de catalyseur nécessaire pour une unité commerciale de taille raisonnable est élevé, la taille et le nombre d'appareils nécessaires rendent l'utilisation de réacteurs cataly- tiques à tubes peu intéressante.
On connaît également des réacteurs catalytiques à plaques comprenant un faisceau de plaques ondulées délimi- tant un premier circuit de circulation du fluide reactant à travers un lit de catalyseur et un second circuit de circulation du fluide caloporteur.
Les réacteurs catalytiques à plaques offrent un meilleur coefficient d'échange thermique que les réacteurs catalytiques à tubes, mais ils présentent certains inconvénients .
En effet, le faisceau d'échange thermique est formé par un empilement de plaques ondulées et rectangulai- res et présente donc une forme générale parallelepipedique.
Le faisceau de plaques est placé dans une enceinte étanche qui elle présente une forme générale cylindrique .
Ainsi, la forme générale parallelepipedique du faisceau de plaques s'avère être un obstacle à une utilisation optimale de l'espace interne de l'enceinte cylindrique ce qui apporte une limitation économique à ce type de réacteurs catalytiques compte tenu du prix élevé de 1 ' enceinte étanche . De plus, les deux fluides qui circulent dans le faisceau de plaques peuvent être à des pressions différentes si bien que les plaques adjacentes ont tendance à être pla- quées l'une contre l'autre par la différence de pression entre ces fluides . Or, la tenue mécanique des plaques ondulées est limitée par l'épaisseur maximum du métal constituant les plaques du fait de la mise en forme de ces plaques pour réaliser les ondulations ce qui réduit les domaines d'utilisation de ce type de réacteurs catalytiques. Enfin, un inconvénient supplémentaire des plaques ondulées est l'accès limité qu'elles permettent à l'intérieur du faisceau de plaques pour inspecter ces . plaques lors des arrêts du réacteur catalytique.
L'invention a pour but d'éviter ces inconvé- nients en proposant un réacteur catalytique à plaques présentant une compacité réduite et une meilleure résistance à la différence de pression entre les fluides que les réacteurs catalytiques utilisés jusqu'à présent.
L'invention a donc pour objet un réacteur catalytique à plaques pour réaliser un transfert thermique entre un fluide reactant réagissant au contact d'un catalyseur et un fluide caloporteur, du type comprenant une enceinte étanche, verticale et de forme allongée, un faisceau de plaques disposé à 1 ' intérieur de ladite enceinte étanche et des moyens d'admission et d'évacuation des fluides reactant et caloporteur, caractérisé en ce que l'enceinte est de forme circulaire et en ce que le faisceau de plaques est formé par des plaques de forme tronconique superposées les unes par rapport aux autres et délimitant entre elles, d'une part, une série de canaux contenant le catalyseur et formant un premier circuit de circulation du fluide reactant et, d'autre part, une série de canaux formant un second circuit de circulation du fluide caloporteur, le premier circuit et le second circuit communiquant avec les moyens d'admission et d'évacuation respectivement du fluide reactant et du fluide caloporteur.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention :
- le réacteur catalytique comporte des moyens de chargement et de déchargement du catalyseur de la série de canaux formant le premier circuit de circulation du fluide reactant,
- les plaques de forme tronconique sont lisses ou comportent des ondulations,
- les canaux du premier circuit et du second circuit sont alternés les uns par rapport aux autres, - les plaques du faisceau de plaques forment, d'une part, dans l'axe de l'enceinte étanche un puits central dans lequel débouche une première extrémité des canaux respectivement du premier et second circuits et, d'autre part, avec ladite enceinte étanche un espace annulaire dans lequel débouche une seconde extrémité des canaux respectivement du premier et du second circuits, - les moyens d'admission du fluide reactant comprennent une tubulure d'entrée traversant l'enceinte étanche et raccordée avec 1 ' extrémité inférieure du puits central du faisceau de plaques pour mettre en communication la première extrémité des canaux formant le premier circuit de circulation de ce fluide reactant avec ladite tubulure d'entrée, les moyens d'évacuation du fluide reactant comprennent une tubulure de sortie débouchant dans ladite enceinte étanche au niveau de l'espace annulaire et communi- cant avec la seconde extrémité des canaux formant le premier circuit de circulation de, ce fluide reactant,
- les moyens d'admission du fluide caloporteur comprennent une tubulure principale traversant 1 ' enceinte étanche et des conduits reliant chacun ladite tubulure prin- cipale et un collecteur interne vertical s ' étendant sur toute la hauteur du puits central et couvrant une portion des premières extrémités des canaux formant les circuits,
- les moyens d'évacuation du fluide caloporteur comprennent plusieurs conduits traversant l'enceinte étanche et raccordés chacun à un collecteur externe vertical s 'étendant sur toute la hauteur du faisceau de plaques au niveau de l'espace annulaire et couvrant une, portion des secondes extrémités des canaux formant les circuits, les collecteurs internes et les collecteurs externes sont répartis en étoile,
- les premières extrémités des canaux formant le premier circuit et situées entre les collecteurs internes sont ouvertes et les premières extrémités desdits canaux situées au-dessous des collecteurs internes sont obturées cha- cune par exemple par une plaque,
- les secondes extrémités des canaux formant le premier circuit et situées entre les collecteurs externes sont ouvertes et les secondes extrémités desdits canaux sont obturées chacune par exemple par une plaque, - les premières extrémités des canaux formant le second circuit et situées entre les collecteurs internes sont obturées chacune par exemple par une plaque et les pre- mières extrémités desdits canaux situées au-dessous des collecteurs internes sont ouvertes,
- les secondes extrémités des canaux formant le second circuit et situées entre les collecteurs externes sont obturées chacune par exemple par une plaque et les secondes extrémités desdits canaux situées au-dessous des collecteurs externes sont ouvertes,
- les moyens de chargement du catalyseur dans les canaux du premier circuit sont formés par une conduite d'entrée traversant la partie supérieure de l'enceinte étanche et reliée aux premières extrémités ouvertes des canaux formant le premier circuit par une gaine tubulaire disposée dans le puits central et s ' étendant sur toute la hauteur dudit puits central, ladite gaine tubulaire permettant le passage du fluide reactant de la tubulure d'entrée jus- qu'auxdites premières extrémités ouvertes,
- les moyens de déchargement du catalyseur des canaux du premier circuit sont formés par une conduite de sortie débouchant à la partie inférieure de l'enceinte étan- che et reliée aux secondes extrémités ouvertes des canaux formant le premier circuit par une gaine tubulaire disposée dans l'espace annulaire et s ' étendant depuis le bord supérieur du faisceau de plaques jusqu'à la partie inférieure de ladite enceinte étanche, ladite gaine tubulaire permettant le passage du fluide reactant desdites secondes extrémités ouvertes jusqu'à la tubulure de sortie.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la Fig. 1 est une vue schématique en perspective partiellement arrachée d'un réacteur catalytique conforme à l'invention,
- la Fig. 2 est une vue en coupe transversale du réacteur catalytique conforme à l'invention, - les Figs . 3 à 6 sont des vues partielles et à plus grande échelle respectivement selon les détails 3 à 6 de la Fig. 2, - la Fig. 7 est une vue partielle développée de la face interne du faisceau de plaques du réacteur catalytique conforme à l'invention,
- la Fig. 8 est une vue partielle développée de la face externe du faisceau de plaques du réacteur catalytique conforme à l'invention.
Sur les figures 1 et 2 , on a représenté schéma- tiquement un réacteur catalytique à plaques désigné dans son ensemble par la référence 1 et destiné plus particulièrement à des réactions chimiques fortement endothermiques ou exothermiques, dans lequel un transfert de chaleur est réalisé entre un fluide reactant A qui réagit au contact d'un catalyseur et un fluide caloporteur B qui apporte ou retire de la chaleur au fluide reactant A. Le transfert de chaleur entre les deux fluides A et B permet d'augmenter le rendement de la réaction chimique .
L'enceinte étanche 1 est formée par une partie centrale 2 cylindrique disposée verticalement et munie, à son extrémité supérieure, d'un fond bombé supérieur 3 et, à son extrémité inférieure, d'un fond bombé inférieur 4.
A l'intérieur de l'enceinte 1 est disposé un faisceau de plaques désigné par la référence générale 10, s 'étendant sur une partie de la longueur de cette enceinte étanche 1 et orienté selon l'axe vertical de ladite enceinte étanche 1.
Ainsi que représenté sur les figures, le faisceau de plaques 10 est formé par des plaques 11 chacune de forme tronconique superposées les unes par rapport aux au- très de façon à délimiter entre elles des intervalles dont la pente est dirigée de haut en bas par rapport à l'axe de l'enceinte étanche 1.
Les intervalles délimités entre les plaques 11 déterminent, d'une part, une série de canaux 20 formant un premier circuit de circulation du fluide reactant A et, d'autre part, une série de canaux 30 formant un second circuit de circulation du fluide caloporteur B. Les canaux 20 du premier circuit et les canaux 30 du second circuit sont alternés les uns par rapport aux autres et dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures, les canaux 20 sont disposés entre les canaux 30. Les canaux 20 du premier circuit de circulation du fluide reactant A sont remplis d'un catalyseur 5 formé par des grains de petites dimensions et de forme quelconque. Les plaques 11 superposées du faisceau de plaques 10 déterminent, d'une part, dans l'axe de l'enceinte étanche 1 un puits central 6 et, d'autre part, avec ladite enceinte étanche 1 un espace annulaire 7 périphérique.
Dans le puits central 6 débouchent une première extrémité 21 des canaux 20 du premier circuit de circulation du fluide reactant A et une première extrémité 31 des canaux 30 du second circuit de circulation du fluide caloporteur B .
Dans 1 ' espace annulaire 7 débouchent une seconde extrémité 22 des canaux 20 du premier circuit de circulation du fluide reactant A et une seconde extrémité 32 des canaux 30 du second circuit de circulation du fluide caloporteur B,
Le réacteur catalytique comprend également des moyens d'admission et d'évacuation du fluide reactant A, des moyens d'admission et d'évacuation du fluide caloporteur B et des moyens de chargement et de déchargement du catalyseur 5 de la série de canaux 20 formant le premier circuit de circulation dudit fluide reactant A.
Les moyens d'admission du fluide reactant A comprennent une tubulure d'entrée 23 traversant le fond bombé inférieur 4 de l'enceinte étanche 1 et raccordée avec l'ex- trémité inférieure du puits central 6 du faisceau de plaques 10 pour mettre en communication la première extrémité 21 des canaux 20 formant le premier circuit de circulation du fluide reactant A avec ladite tubulure d'entrée 23.
Les moyens d'évacuation de ce fluide reactant A après le passage de ce dernier dans les canaux 20 contenant le catalyseur 5 comprennent une tubulure de sortie 24 débouchant sensiblement dans la partie médiane de l'enceinte étanche 1 au niveau de l'espace annulaire périphérique 7 et communiquant avec la seconde extrémité 22 des canaux 20 qui débouche dans cet espace annulaire périphérique 7.
Les moyens d'admission du fluide caloporteur B comprennent une tubulure principale 33 traversant le fond bombé supérieur 3 de l'enceinte étanche 1 et des conduits 34 reliant chacun ladite tubulure principale 33 avec un collecteur interne vertical 35.
Chaque collecteur interne 35 s'étend sur toute la hauteur du puits central 6 et couvre une portion de la première extrémité 31 des canaux 30 formant le second circuit de circulation dudit fluide caloporteur B.
Dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures, les collecteurs internes 35 sont au nombre de six reliés chacun par un conduit 34 à la tubulure principale 33.
Ces collecteurs internes 35 sont répartis en étoile sur la face interne du faisceau de plaques 10.
Ainsi que représenté à la Fig. 7, qui est une vue partielle développée de la paroi interne du faisceau de plaques 10, c'est à dire de la face interne au niveau du puits central 6, les fluides reactant A et caloporteur B sont canalisés respectivement dans les canaux 20 et les canaux 30. A cet effet, les premières extrémités 21 de la série de canaux 20 formant le premier circuit de circulation du fluide reactant A et situées entre les collecteurs internes 35 sont ouvertes et les premières extrémités 21 desdits canaux 20 situées au-dessous des collecteurs internes 35 sont obturées chacune par exemple par une plaque 25.
Par ailleurs, les premières extrémités 31 de la série de canaux 30 formant le second circuit de circulation du fluide caloporteur B et situées entre les collecteurs internes sont obturées chacune par exemple par une plaque 36 tandis que les premières extrémités 31 de ces canaux 30 situées au-dessus des collecteurs internes 35 sont ouvertes. Les moyens d'évacuation du fluide caloporteur B comprennent plusieurs conduits indépendants 37 qui traversent le fond bombé inférieur 4 de 1 ' enceinte étanche 1 et qui sont raccordés chacun à un collecteur externe vertical 38 disposé dans l'espace annulaire 7.
Chaque collecteur externe 38 s'étend sur toute la hauteur de la paroi externe du faisceau de plaques 10 au niveau dudit espace annulaire 7 et couvre une portion de la seconde extrémité 32 de la série de canaux 30 formant le se- cond circuit de circulation du fluide caloporteur B.
Dans 1 ' exemple de réalisation représenté sur les figures, les collecteurs externes 38 sont également au nombre de six reliés chacun à un conduit 37 et sont répartis en étoile sur ladite face externe du faisceau de plaques 10. Ainsi que représenté plus particulièrement sur la Fig. 8 qui est une vue partielle développée de la face externe du faisceau de plaques 10, c'est à dire au niveau de l'espace annulaire 7, les secondes extrémités 22 des canaux 20 formant le premier circuit de circulation du fluide réac- tant A et situées entre les collecteurs externes 38 sont ouvertes tandis que les secondes extrémités 22 desdits canaux 20 situées au-dessous des collecteurs externes 38 sont obturées chacune par exemple par une plaque 26.
Par ailleurs, les secondes extrémités 32 des ca- naux 30 formant le second circuit de circulation du fluide caloporteur B et situées entre les collecteurs externes 38 sont obturées chacune par exemple par une plaque 39 et les secondes extrémités 32 desdits canaux 30 situées au-dessous des collecteurs externes 38 sont ouvertes. Ainsi que représenté notamment sur les Figs . 2 et 5, les moyens de chargement du catalyseur 5 par les premières extrémités 21 des canaux 20 à l'intérieur du premier circuit de circulation du fluide reactant A sont formés par une conduite d'entrée 40 traversant le fond bombé supérieur 3 de l'enceinte étanche 1 et reliées aux premières extrémités 21 ouvertes des canaux 20 formant ledit premier cir- cuit, par une gaine tubulaire 41 disposée à l'intérieur du puits central 6.
La conduite d'entrée 40 débouche dans un collecteur 42 fixé sur l'extrémité supérieure du puits central 6. Un cône 43 est disposé à l'intérieur du collecteur 42 sur l'extrémité supérieure du puits central 6 de façon à canaliser le catalyseur 5 déversé par la conduite d'entrée 40 à l'intérieur de la gaine tubulaire 41 vers les entrées 21 de la série de canaux 20. Le fond du puits central 6 est obturé par une plaque horizontale 44 formée par une grille..
Selon une variante, la partie inférieure des collecteurs internes 35 est obturée par une grille annulaire laissant libre la section centrale du puits 6. La gaine tubulaire 41 s'étend sur toute la hauteur du puits central 6 et permet le passage du fluide reactant A de la tubulure d'entrée 23 jusqu'aux premières extrémités ouvertes 21 de la série de canaux.
De préférence, cette gaine tubulaire 41 est for- mée par une grille.
Les moyens de déchargement du catalyseur 5 des canaux 20 du premier circuit de circulation du fluide réacteur A lorsque ce catalyseur 5 est usé, sont formés par une conduite de sortie 45 traversant le fond bombé inférieur 4 de l'enceinte étanche 1 et qui est reliée aux secondes extrémités ouvertes 22 des canaux 20 formant le premier circuit par une gaine tubulaire 46 (Figs. 2 et 6) disposée dans l'espace annulaire 7 périphérique.
Cette gaine tubulaire 46 s'étend depuis le bord supérieur des sorties 32 des canaux 30 du faisceau de plaques 10, jusqu'à la partie inférieure de l'enceinte 1 et permet le passage du fluide reactant A des secondes extrémités ouvertes 22 jusqu'à la tubulure de sortie 45.
De préférence, la gaine tubulaire 46 est formée par une grille.
Les plaques 25, 36 et 26, 39 sont soudées sur les bords 11 du faisceau de plaques 10 et les collecteurs 35 et 38 sont également soudés sur les plaques 11 et peuvent également servir à tenir ces plaques ensembles .
Le fluide reactant A arrivant par la tubulure d'entrée 23 traverse la grille 44 et se répand dans le puits central 6.
Ce fluide reactant A pénètre dans la série de canaux 20 du premier circuit par les premières extrémités ouvertes 21 de ces canaux 20.
Lors de son passage dans cette série de canaux 20 contenant le catalyseur 5, il se produit une réaction chimique fortement endothermique ou exothermique selon le type de fluide utilisé et l'application recherchée.
Après son passage dans la série de canaux 20, le fluide reactant A traverse la gaine tubulaire 46, se répand à l'intérieur de l'enceinte étanche 1 et est évacué par la tubulure de sortie 24.
Simultanément à la circulation du fluide reactant A, le fluide caloporteur B arrive par la tubulure principale 33 et par les conduits 34 dans les collecteurs inter- nés 35.
Le fluide caloporteur B pénètre dans la série de canaux 30 du second circuit en passant par les extrémités ouvertes 31 de ce second circuit et se diffuse uniformément dans l'ensemble des canaux 30. Selon l'application et le type de fluide caloporteur B utilisé, lors de son passage dans les canaux 30, du second circuit, ce fluide caloporteur réalise un transfert thermique en apportant ou en retirant de la chaleur au fluide reactant 1 ce qui permet d'augmenter le rendement de la réaction chimique.
Après son passage dans les canaux 30, le fluide caloporteur B sort par les secondes extrémités ouvertes 32 des canaux 30, puis est récupéré par les collecteurs externes 38 et est évacué par les conduits de sortie 37. Les plaques 11 de forme tronconique du faisceau de plaques 10 peuvent être lisses ou comporter des ondulations . Lors du renouvellement du catalyseur 5, la conduite de sortie 45 est ouverte et le catalyseur 5 s'écoule par cette conduite de sortie 45 et, du fait de la pente des canaux 20, ce catalyseur 5 est évacué desdits canaux 20. Pour remplir les canaux 20 d'un nouveau catalyseur 5, la conduite de sortie 45 est fermée et le nouveau catalyseur 5 est déversé par la conduite d'entrée 40 à l'intérieur de la gaine tubulaire 41 et se répand dans les canaux 20 du premier circuit de circulation du fluide reactant A.
Chaque fois que le catalyseur doit être remplacé, cette opération est renouvelée.
Par rapport à un réacteur catalytique tubulaire, la configuration du réacteur selon l'invention offre l'avan- tage d'une configuration d'échange thermique véritablement co-courante, sur la majeur partie de la longueur d'échange.
Par rapport à un réacteur catalytique comportant une enveloppe étanche cylindrique et un faisceau de plaques de forme générale parallelepipedique, la configuration du réacteur catalytique selon l'invention permet de pouvoir faire circuler des fluides à des différences de pression plus élevées .
Le réacteur catalytique selon l'invention présente l'avantage, de par sa conception, d'être compacte grâce à la forme du faisceau de plaques qui remplit avantageusement 1 ' espace de 1 ' enveloppe étanche ce qui permet ainsi de réduire le coût de cette enveloppe étanche.
De plus, le réacteur catalytique selon l'invention présente une meilleure résistance à la différence de pression entre les fluides, grâce également à la forme des plaques composant le faisceau de plaques, ce qui permet d'équilibrer la différence de pression en développant une contrainte circonférentielle qu'il est aisée de maintenir au-dessous d'une valeur donnée admissible pour le matériau composant les plaques, en ajustant l'épaisseur de ces plaques . Enfin, le réacteur catalytique selon l'invention permet un remplissage aisé en catalyseur du fait de la pente des canaux et d'accéder plus facilement à l'intérieur du faisceau de plaques pour un nettoyage ou une inspection de maintenance.

Claims

REVENDICATIONS 1. Réacteur catalytique à plaques pour réaliser un transfert thermique entre un fluide reactant réagissant au contact d'un catalyseur et un fluide caloporteur, du type comprenant une enceinte étanche (1), verticale et de forme allongée, un faisceau de plaques (10) disposé à l'intérieur de ladite enceinte étanche (1) et des moyens d'admission et d'évacuation des fluides reactant et caloporteur, caractérisé en ce que l'enceinte étanche (1) est de forme circulaire et en ce que le faisceau de plaques (10) est formé par des plaques (11) de forme tronconique, superposées les unes par rapport aux autres et délimitant entre elles, d'une part, une série de canaux (20) contenant le catalyseur (5) et formant un premier circuit de circulation du fluide reactant et, d'autre part, une seconde série de canaux (30) formant un second circuit de circulation du fluide caloporteur, le premier circuit et le second circuit communiquant avec les moyens d'admission et d'évacuation respectivement du fluide reactant et du fluide caloporteur.
2. Réacteur catalytique selon la revendication
1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de chargement et de déchargement du catalyseur (5) de la série de canaux (20) formant le premier circuit de circulation du fluide reactant .
3. Réacteur catalytique selon la revendication
1, caractérisé en ce que les plaques (11) de forme tronconique sont lisses.
4. Réacteur catalytique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques (11) de forme tronconi- que comportent des ondulations.
5. Réacteur catalytique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les canaux (20 ; 30) du premier circuit et du second circuit sont alternés les uns par rapport aux autres .
6. Réacteur catalytique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques (11) du faisceau de plaques (10) forment, d'une part, dans l'axe de l'enceinte étanche (1) un puits central (6) dans lequel débouchent une première extrémité (21 ; 31) des canaux (20 ; 30) respectivement du premier et du second circuits et, d'autre part, avec ladite enceinte étanche (1) un espace annulaire (7) dans lequel débouchent une seconde extrémité (22 ; 32) des canaux (20 ; 30) respectivement du premier et du second circuits.
7. Réacteur catalytique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'admission du fluide reactant comprennent une tubulure d'entrée (23) traversant l'enceinte étanche (1) et raccordée avec l'extrémité inférieure du puits central (6) du faisceau de plaques (10) pour mettre en communication la première extrémité (21) des canaux (20) formant le premier circuit de circulation de ce fluide reactant avec ladite tubulure d'entrée (23).
8. Réacteur catalytique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens d'évacuation du fluide reactant comprennent une tubulure de sortie (24) débouchant dans ladite enceinte étanche (1) au niveau de l'espace annulaire (7) et communiquant avec la seconde extrémité (22) des canaux (20) formant le premier circuit de circulation de ce fluide reactant.
9. Réacteur catalytique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens d'admission du fluide caloporteur comprennent une tubulure principale (33) traversant l'enceinte étanche (1) et des conduits (34) reliant chacun ladite tubulure principale (33) et un collecteur interne (35) vertical s ' étendant sur toute la hauteur du puits central (6) et couvrant une portion des premières extrémités (21 ; 31) des canaux (20 ; 30) formant les circuits .
10. Réacteur catalytique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens d'évacuation du fluide caloporteur comprennent plusieurs conduits (37) traversant l'enceinte étanche (1) et raccordées chacune à un collecteur externe (38) vertical s ' éten- dant sur toute la hauteur du faisceau de plaques (10) au niveau de l'espace annulaire (7) et couvrant une portion des secondes extrémités (22 ; 32) des canaux (20 ; 30) formant le second circuit.
11. Réacteur catalytique selon la revendication
9 ou 10, caractérisé en ce que les collecteurs internes (35) et les collecteurs externes (38) sont répartis en étoile.
12. Réacteur catalytique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premières extrémités (21) des canaux (20) formant le premier circuit et situées entre les collecteurs internes (35) sont ouvertes et les premières extrémités (21) desdits canaux (20) situées au-dessous des collecteurs internes (35) sont obturées par exemple par une plaques (25) .
13. Réacteur catalytique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les secondes extrémités (22) des canaux (20) formant le premier circuit et situées entre les collecteurs externes (38) sont ouvertes et les secondes extrémités (22) desdits canaux (20) situées au-dessous des collecteurs (38) sont obturées chacune par exemple par une plaque (26) .
14. Réacteur catalytique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les premières extrémités (31) des canaux (30) formant le second cir- cuit et situées entres les collecteurs internes (35) sont obturées par exemple par une plaque (36) et les premières extrémités (31) desdits canaux (30) situées au-dessous des collecteurs internes (35) sont ouvertes.
15. Réacteur catalytique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou 14 , caractérisé en ce que les secondes extrémités (32) des canaux (30) formant le second circuit et situées entre les collecteurs externes (38) sont obturées chacune par exemple par une plaque (39) et les secondes extrémités (32) desdits canaux (30) situées au- dessous des collecteurs externes (30) sont ouvertes.
16. Réacteur catalytique selon l'une quelconque des revendications 2 à 15, caractérisé en ce que les moyens de chargement du catalyseur (5) dans les canaux (20) du premier circuit sont formés par une conduite d'entrée (40) traversant la partie supérieure de l'enceinte étanche (1) et reliée aux premières extrémités ouvertes (21) des canaux (20) formant le premier circuit par une gaine tubulaire (41) disposée dans le puits central (6) et s ' étendant sur toute la hauteur dudit puits central (6), ladite gaine tubulaire (41) permettant le passage du fluide reactant de la tubulure d'entrée (40) jusqu ' auxdites premières extrémités ouvertes (21) .
17. Réacteur catalytique selon la revendication 16, caractérisé en ce que la gaine tubulaire (41) est formée par une grille.
18. Réacteur catalytique selon l'une quelconque des revendications 2 à 15, caractérisé en ce que les moyens de déchargement du catalyseur (5) des canaux (20) du premier circuit sont formés par une conduite de sortie (45) débouchant à la partie inférieure de l'enceinte étanche (1) et reliée aux secondes extrémités ouvertes (22) des canaux (20) formant le premier circuit par une gaine tubulaire (46) disposée dans l'espace annulaire (7) et s ' étendant depuis le bord supérieur du faisceau de plaques (10) jusqu'à la partie inférieure de ladite enceinte étanche (1) , ladite gaine tubulaire (46) permettant le passage du fluide reactant desdites secondes extrémités ouvertes (22) jusqu'à la tubulure de sortie (45) .
19. Réacteur catalytique selon la revendication 18, caractérisé en ce que la gaine tubulaire (46) est formée par une grille.
20. Réacteur catalytique selon la revendication
6, caractérisé en ce que le fond du puits central (6) est obturé par un plaque horizontale (44) formée par une grille.
21. Réacteur catalytique selon la revendication
9, caractérisé en ce que la partie inférieure des collec- teurs internes (35) est obturée par une grille annulaire laissant libre la section centrale du puits (6) .
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