WO2023067261A1 - Réacteur tubulaire à lit fixe avec élément filtrant - Google Patents

Réacteur tubulaire à lit fixe avec élément filtrant Download PDF

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Julien Cigna
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Definitions

  • the present invention relates to the field of reactor-exchangers.
  • the present invention relates to the field of catalytic reactor-exchangers using a solid catalyst, and in particular a solid catalyst in powder form, as well as to the field of means for confining such a catalyst.
  • the present invention proposes in this respect a catalytic reactor-exchanger capable of implementing exothermic organic synthesis processes.
  • These organic compounds may in particular comprise synthetic fuels and fuel.
  • Catalytic reactors using solid catalysts are widely used for the synthesis of organic compounds such as synthetic fuels or fuels, among which natural gas substitutes, dimethyl ether or even methanol may be mentioned.
  • these reactions can be implemented in a reactor-exchanger of the shell-tube type which comprises a reactive channel provided with the solid catalyst and continuously cooled by a heat transfer fluid.
  • the reactive gases circulate axially in the tubes which contain a catalyst, for example in powder form.
  • this type of reactor remains sensitive to the heat given off by the reactions occurring in the reactor.
  • a hot spot generally observed close to the reactive gas inlet, degrades the solid catalyst, and therefore reduces the performance of the reactor-exchanger.
  • reactor-exchangers implementing a distribution of reactants from an annular distribution space.
  • these Reactor-exchangers generally cylindrical in shape, comprise, arranged coaxially and from the outside of the reactor, a tube, the annular distribution space, a catalyst charge and a collection space.
  • document CN 103990420 A proposes to implement an insert provided with a distribution chamber and a collection chamber, arranged in the center of a tube and defining with the latter an annular space housing the solid catalyst.
  • the arrangement proposed in this document does not allow homogeneous distribution within the annular space. More particularly, this arrangement does not make it possible to obtain an optimum temperature profile within the solid catalyst.
  • the reactor comprises a catalyst provided in an annular space located between a hollow tube and a hollow insert provided with distribution and collection chambers.
  • the principle of confinement of the catalyst is not taught and there remains a need to design a solution to this problem of confinement of the bed of catalytic powder.
  • An object of the present invention is to provide a fixed-bed tubular reactor allowing a more uniform distribution of the reactants within the solid catalyst.
  • Another object of the present invention is also to propose a tubular reactor for which the reliability and the service life are improved with regard to the reactors known from the state of the art.
  • Another object of the present invention is to propose a tubular reactor making it possible to optimize (increase) the passage time of the gases in the fixed bed of catalytic powder.
  • the invention aims to remedy at least partially the needs and aims mentioned above and the drawbacks relating to the embodiments of the prior art.
  • a fixed-bed tubular reactor which extends, along a longitudinal axis, between a first end and a second end, the reactor comprising a bed of confined catalytic powder in an annular space delimited by a first wall of a hollow tube and a second wall of a hollow insert, arranged in the hollow tube and coaxially with the latter, the hollow insert comprising at least one distribution chamber and at at least one collection chamber, separated from each other by a dividing wall, and comprising, respectively, a gas inlet opening at the level of the first end and a gas evacuation opening at the level of the second end, the second wall comprising at least one distributing opening and at least one collecting opening, which extend over a length, the distributing opening allowing the distribution of a gas capable of being admitted by the admission opening of the distribution chamber towards the annular space, and the collecting opening allowing the collection of the gas distributed in the annular space by the collecting chamber, characterized in that the reactor comprises at least one filtering element
  • the reactor according to the invention may also comprise one or more of the following characteristics taken individually or in any possible technical combination.
  • the reactor according to the present invention is tubular, the hollow tube and the hollow insert are necessarily of cylindrical shape but not necessarily cylindrical of revolution.
  • the annular space may have a symmetry of revolution.
  • the reactor according to the present invention makes it possible to distribute the reactive gases, due to the extent of the distribution opening, in a relatively homogeneous manner in the annular space. These then react with the catalytic powder bed over the entire section covered by the distribution opening. The products resulting from the reaction of the gases, as well as the unreacted gases are collected at the level of the collection opening and evacuated from the reactor through the evacuation opening opposite the inlet opening.
  • This arrangement for which the admission of the gases is done by one end and the evacuation by the other end allows a better distribution of the reactive species (the gases) in the annular space, and consequently a better distribution of the heat likely to be released during the reaction of the reactive species in the annular space.
  • the arrangement according to the present invention therefore makes it possible to envisage a more compact reactor, and of improved reliability with regard to the tubular reactors known from the state of the art.
  • Said at least one filter element may be at least partly in the form of one or more filter sheets positioned against the outer surface of the second wall of the hollow insert and completely covering said at least one collecting opening and said at least a dispensing opening by bearing on the outer surface of the second wall on either side thereof.
  • the filter sheet(s) may comprise a fabric, a felt, for example made of glass fibers, metal fibers, carbon fibers, a metal grid and/or a micro-perforated metal sheet, among others.
  • the filter sheet(s) may be in a form that is at least partly cylindrical, in particular in the form of one or more portions of cylindrical shape, matching the cylindrical shape of the outer surface of the second wall of the insert. and fitted onto the insert.
  • the filter sheet or sheets can be secured to the insert by spot welding, by brazing and/or by means of at least one ligature around the insert and the filter sheet or sheets, for example one or more wires metal wrapped around them.
  • the reactor may comprise at least one compartment at the level of each of said at least one collecting opening and one distributing opening, said at least one filtering element being at least partly housed inside said at least one compartment and said at least one collecting opening and said at least one distributing opening.
  • a filtering element can advantageously be introduced inside each compartment, in contact with the internal wall(s) of the compartment.
  • Each compartment may include one or more openings allowing the circulation of gases.
  • one or more compartments can be formed by means of a local modification, at the level of one or more collecting and distributing openings, of the second wall of the insert.
  • One or more compartments can be formed through a cut-out membrane placed in one or more collecting and distributing openings.
  • said at least one filter element can come into contact with the hollow tube so as to allow centering of the insert with respect to the hollow tube.
  • compartment or compartments and the insert can form a single piece.
  • the at least one distribution chamber can be closed off at the second end, and the at least one collection chamber can be closed off at the first end.
  • the reactor may comprise at the level of the first end and at the level of the second end, respectively, a distributor space and a collector space between which the insert is placed.
  • the catalytic powder can be retained in the annular space by a joint made of fibrous material at the level of each of the ends of the annular space.
  • the seal made of fibrous material can be held in compression against the catalytic powder by a spring, the spring being in abutment against a holding plate mechanically linked to the tube.
  • the joint made of fibrous material in combination with the spring or springs makes it possible to better compact the catalytic powder and to prevent the attrition of the latter during handling or transport of the reactor.
  • the outer wall may have no opening on a first section and a second section which extend from the first end and the second end respectively, the first section and the second section overlapping the bed of powder over a height H, the height H being between 0.5 times and 10 times, advantageously between 1 time and 2 times, the distance separating a dispensing opening from an immediately adjacent collection opening, and measured along the outer surface of the outer wall.
  • the hollow insert can be provided with centering means maintaining the latter in a position coaxial with the hollow tube, advantageously, the centering means comprise bosses formed on the second wall.
  • the surface of a section of the distribution chamber according to a sectional plane transverse to the longitudinal axis can decrease from the first end towards the second end, advantageously, said surface is zero at the level of the second end.
  • Additive manufacturing methods and in particular 3D manufacturing techniques, make it possible to produce these complex structures in the form of a single piece.
  • the surface of a section of the collection chamber along a section plane transverse to the longitudinal axis can increase from the first end towards the second end, advantageously, said surface is zero at the level of the first end.
  • the collection opening and the dispensing opening may have a width comprised between 1/100 and 1/2, advantageously comprised between 1/20 and 1/4, of the diameter of the hollow tube.
  • the hollow insert can form a single piece.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a fixed-bed tubular reactor according to a first variant of the present invention, in particular [Fig. 1] shows the reactor according to a longitudinal section plane passing through a longitudinal axis XX' of the reactor; [Fig. 2] is a schematic representation of the reactor of [Fig. 1] along a transverse section plane perpendicular to the longitudinal axis;
  • FIG. 3 is a representation of a filtering element, and in particular of a filter formed of four planes of fibers, capable of being implemented in the tubular reactor according to the present invention
  • FIG.4], FIG. 5] and [Fig.6] are partial cross-sectional representations of inserts equipped with filter elements in accordance with the invention.
  • FIG. 7 is a representation in partial cross section of another example of an insert equipped with a compartment with a filtering element in accordance with the invention.
  • FIG. 8] and FIG. 9] are representations in partial cross section, respectively before and after cutting a membrane, making it possible to illustrate the obtaining of another example of a compartment with a filtering element in accordance with the invention
  • FIG. 10 and [Fig. 11] are representations in partial cross section of other embodiments of compartments with filter elements in accordance with the invention positioned in contact with the hollow tube,
  • FIG. 12 is a representation of a tubular reactor with a fixed bed according to the first variant of the present invention at the level of the first end illustrating the arrangement of the seal and of the spring retaining the bed of catalytic powder;
  • FIG. 13 is a schematic representation of the hollow insert according to section plane AA' of [Fig. 12];
  • FIG. 14 is a schematic representation of an insert according to a second variant of the present invention, in particular [Fig. 14] shows the reactor according to a longitudinal section plane passing through a longitudinal axis XX' of the reactor;
  • FIG. 15A], FIG. 15B], [Fig. 15C], [Fig. 15D] and [Fig. 15E] are views, respectively, according to section planes A, B, C, D and E of the hollow insert shown in [Fig. 14];
  • FIG. 16 is a schematic representation of an insert according to a third variant of the present invention, in particular [Fig. 16] shows the reactor according to a longitudinal section plane passing through a longitudinal axis XX' of the reactor; And [Fig. 17] and [Fig. 18] are views, respectively, according to section planes CC′ and DD′ of the hollow insert shown in [Fig. 16].
  • the present invention relates to a tubular reactor-exchanger with a bed of fixed catalytic powder.
  • the catalytic powder bed is confined in an annular space delimited by a first wall of a hollow tube and a second wall of a hollow insert placed in the tube and coaxially with the latter.
  • the hollow insert according to the present invention is in particular arranged to allow admission of reactive gases along a first end of the reactor into a distribution chamber of the insert. The latter are then distributed over a section of the annular space extended over a length L, through a distribution opening allowing the gases to pass from the distribution chamber to the annular space.
  • the products resulting from the reaction between reactive species are then collected, via a collection opening, in a collection chamber of the hollow insert, isolated from the distribution chamber by a dividing wall.
  • the evacuation of the products takes place through an evacuation opening of the collection chamber at the level of the second end.
  • the tubular reactor 1 comprises a hollow tube 10 which extends along a longitudinal axis XX', between a first end 11 and a second end 12.
  • the hollow tube 10 may have a symmetry of revolution around the longitudinal axis XX'.
  • the hollow tube 10 can comprise a metal, and in particular a metal chosen from: steel, aluminum alloy, copper, nickel, among others.
  • the diameter of the internal surface of the hollow tube 10 can be between 5 mm and 100 mm.
  • the wall, called the first wall, forming the hollow tube 10 can have a thickness of between 0.5 mm and 10 mm.
  • the hollow tube 10 can have a length of between 10 times and 200 times its internal diameter.
  • the tubular reactor 1 also comprises a hollow insert 20 which also extends along the longitudinal axis XX' and has a cylindrical external shape.
  • the hollow insert 20 can be a single piece.
  • the hollow insert 20 is in particular housed in the volume V of the hollow tube 10 coaxially with the latter.
  • the insert 20 comprises a wall, called second wall 21, which delimits with the first wall of the hollow tube an annular space 30.
  • the annular space 30 is, in this respect, filled with a catalytic powder which will be the seat of the reactions of conversion of reactive gases likely to pass through the tubular reactor 1.
  • the annular space 30 may have a thickness, defined as the distance between the first wall and the second wall, of between 2% and 20% of the internal diameter of the first wall.
  • the hollow insert 20 can be provided with centering means maintaining the latter in a position coaxial with the hollow tube 10.
  • the centering means comprise bosses 22 formed on the second wall 21.
  • centering means 22 make it possible in particular to consider a hollow insert 20 with a length at least 20 times greater than the diameter of said insert. Furthermore, these centering means 22 also make it possible to facilitate the assembly of the tubular reactor 1.
  • the hollow insert 20 also comprises at least one distribution chamber
  • the hollow insert 20 can include between one and four distribution chambers 40, and between one and four collection chambers 50.
  • the distribution chambers 40 and the collection chambers 50 are advantageously arranged alternately, extend over the entire length of the hollow insert 20 and are separated from each other by separating walls 60.
  • the dividing walls 60 extend over the entire length of the hollow insert 20 in the volume defined by the hollow insert 20.
  • the at least one distribution chamber 40 comprises an admission opening 41 at the level of one end of the insert 20 through which one or more reactive gases are likely to be admitted.
  • the at least one collection chamber 50 comprises an evacuation opening 51 at the level of the other end of the hollow insert 20 and through which one or more gases are likely to be evacuated.
  • the hollow insert 20 is also provided with at least one distributor opening 42, or distribution, and at least one collecting opening 52, or collection.
  • the distribution opening 42 forms a passage permeable to the reactive gases from the distribution chamber 40 towards the annular space 30.
  • the collection opening 52 forms a passage permeable to the gases from the annular space 30 towards the collection chamber 50.
  • the distribution 42 and collecting 52 openings extend over a length L.
  • the length L is greater than half, advantageously three quarters of the length of extension along the longitudinal axis XX' of the annular space 30.
  • the at least one distribution chamber 40 is closed at the level of the second end 12, while the at least one collection chamber 50 is closed at the level of the first end 11.
  • the distribution chamber 40 is closed by a distribution wall 43, while the collection chamber 50 is closed by a collection wall 53.
  • the tubular reactor 1 can comprise at the level of the first end 11 and at the level of the second end 12, respectively, a distributor space 13 and a collector space 14 between which the hollow insert 20 is arranged.
  • the collection opening 42 and the distribution opening 52 have a width comprised between 1/100 and 1/2, advantageously comprised between 1/20 and 1/4, of the diameter of the hollow tube 10.
  • each collection opening 52 and each distribution opening 42 are also associated with one or more filter elements 61 preventing the passage of catalytic powder into one or the other of the collection 50 or distribution chambers. 40.
  • this or these filtering elements 61 make it possible to confine the catalyst in the annular space 30 due to their impermeability to the catalyst.
  • a filter element 61 may be in the form of a filter, in particular a filter sheet, which may comprise a plurality of planes 61a, 61b, 61c and 61d comprising fibers.
  • the example illustrated in FIG. 3 comprises in particular four planes, each provided with rectangular or round fibers and inclined at more or less 45° with respect to the longitudinal axis XX'. More particularly, the fibers of two successive planes are oriented at two different angles, and are in particular perpendicular from one plane to the other.
  • FIGS 4 to 11 illustrate different embodiments of one or more filter elements 61 that can be used in any type of reactor 1 according to the invention.
  • This filtering element or elements 61 are positioned at the level of each collecting opening 52 between a collecting chamber 50 and the annular space 30, as well as at the level of each distributing opening 42 between a distributing chamber 40 and the annular space 30. They advantageously make it possible to confine the catalyst in the annular space 30 and therefore to prevent the passage of catalytic powder from the annular space 30 towards the collection chambers 50 and the distribution chambers 40.
  • the filter element(s) 61 may be in the form of one or more filter sheets 61 positioned bearing against the outer surface of the second wall 21 of the hollow insert 20. They then completely cover the collecting openings 52 and the distributing openings 42 by bearing on the external surface of the second wall 21 on either side of these.
  • the filter sheet(s) 61 can be similar to one or more filters wrapped around the insert 20 and covering the collecting openings 52 and the distributing openings 42.
  • This or these filtering sheets 61 can for example comprise a fabric, a felt, for example made of glass fibers, metal fibers, carbon fibers, a grid and/or a microperforated metal or ceramic sheet.
  • a fabric for example made of glass fibers, metal fibers, carbon fibers, a grid and/or a microperforated metal or ceramic sheet.
  • the size of the meshes or of the porosities is smaller than the diameter of the catalyst particles.
  • a thin fabric or grid comparable to the size of the particles, typically between 20 ⁇ m and 1 mm, positioned with a minimum of clearance with respect to the surface of the insert 20 are preferred in order to not to favor the circulation of the gas in the thickness of the filter sheet(s) 61, or between these and the insert 20, which would prevent the gas from coming into contact with the catalyst (and therefore would limit the reaction) , and so as not to thermally insulate the catalyst from the wall of the insert 20, which would limit the homogenization of the temperature in the reactor 1 and would promote the appearance of hot spots if the reaction is exothermic for example.
  • one or more filter elements 61 in the form of one or more filter sheets 61 makes it possible to use a very simple form of insert 20, typically with a circular section, and in particular with a convex-shaped outline. so as not to create a space between the insert 20 and the filter sheet(s) 61.
  • a filtering sheet 61 can be provided, this covering all the collecting 52 and distributing 42 openings without however covering the entire external surface of the second wall 21.
  • the filtering sheet 61 can be in an open cylindrical shape, or else in the shape of an open tube, and can be fitted around the insert 20 like a sock. The perimeter of the insert 20 is not completely covered by the filter sheet 61.
  • the filter sheet 61 may also completely cover the circumference of the insert 20, so as to be rolled up all around the insert 20, and be closed on itself at a superposition zone ZS of the ends of the filter sheet 61.
  • the periphery of the insert 20 is entirely covered by the filter sheet 61.
  • the attachment of the filtering sheet(s) 61, directly to the external surface of the second wall 21 of the insert 20 and/or at the level of the superposition zone ZS, can be done by spot welding or even by brazing. It is also possible to hold the filtering sheet or sheets 61 in place on the insert 20 by means of a ligature, for example composed of one or more metal wires wound around the insert 20 and the filtering sheet or sheets. 61.
  • the filter element(s) 61 may still be housed at least partly inside a collecting opening 52 or a distributing opening 42.
  • the reactor 1 can comprise a compartment 80 at the level of each of the collecting 52 and distributing 42 openings. inside a collecting opening 52 or a distributing opening 42.
  • the filter element(s) 61 placed in a compartment 80 are in contact with the internal wall(s) of the compartment 80.
  • Each compartment 80 can be formed continuously over all or part of the length of the insert 20 along the longitudinal axis XX'. It is advantageously fitted to the filter element(s) 61 that it must receive so as to retain the catalyst in the annular space 30.
  • Each compartment 80 further comprises one or more openings 81, identified in Figures 7, 9, 10 and 11, allowing the circulation of gases through or around the filter element(s) 61, between the collection chambers 50 and the distribution chambers. 40 and the annular space 30 containing the catalyst.
  • the opening or openings are identified in Figures 7, 9, 10 and 11, allowing the circulation of gases through or around the filter element(s) 61, between the collection chambers 50 and the distribution chambers. 40 and the annular space 30 containing the catalyst.
  • the opening or openings 81 identified in Figures 7, 9, 10 and 11, allowing the circulation of gases through or around the filter element(s) 61, between the collection chambers 50 and the distribution chambers. 40 and the annular space 30 containing the catalyst.
  • the opening or openings are identified in Figures 7, 9, 10 and 11, allowing the circulation of gases through or around the filter element(s) 61, between the collection chambers 50 and the distribution chambers. 40 and the annular space 30 containing the catalyst.
  • the porosity of the filtering element(s) 61 is smaller than the size of the particles of the catalyst. It performs the separation function between the gases and the catalyst.
  • This porosity is either a component of a porous material used in the filter element(s) 61, such as a fibrous material, wool, braid, foam, sintered material, silica ceramic or metal, steel or carbon, and the gases then circulate preferentially through the filtering element(s) 61, or created by a space provided between the filtering element(s) 61 and the compartment 80, the gases then circulating preferentially around the filtering element(s) 61.
  • the gas circulation space may for example be a clearance for mounting the filter element(s) 61 in their compartment 80, or created by a surface roughness of the compartment 80 or of the filter element(s) 61, for example a threaded rod or a steel cable.
  • the dimension of the section of the filter element(s) 61 and of the compartment 80 is typically between 1 mm and 5 mm.
  • the section of the filtering element(s) 61 can be round, square or rectangular, or even any other shape provided that it is adapted to the compartment 80 and does not allow the catalyst particles to migrate towards the distribution chambers 40 and collection 50.
  • the use of such compartments 80 each associated with one or more filter elements 61 makes it easier to put them into place in the insert 20, like a seal placed in a groove.
  • the filter elements 61 can be held in position by friction with the wall or walls of the compartment 80 so that any other fixing means can be avoided, such as welding, soldering or ligature.
  • the absence of a filtering element 61 over the entire outer surface of the second wall 21 of the insert 20 can make it possible to free this surface to attach other elements to it, for example intended to ensure centering with respect to the tube 10.
  • the absence of filter element 61 on the external surface of the second wall 21 of the insert 20 can allow better heat transfer between the catalytic powder bed and the insert 20.
  • the compartments 80 are formed by means of a local modification of the second wall 21 of the insert 20 at the level of each collecting opening 52 and each distributing opening 42.
  • a compartment 80 is formed at the level of a collecting 52 or distributing 42 opening by modifying the second wall 21, in particular by protruding from the wall 21 towards the collecting chamber 50 or distribution 40 to form a compartment 80 of cylindrical shape, open to the collecting 52 or distributing 42 opening and open to the collecting 50 or distributing 40 chamber through a longitudinal opening 81.
  • the compartment 80 can be made along with the insert 20 and be integral with it. It should be noted that the compartment 80 can also be formed by an element attached to the wall 21.
  • the filter element 61 is in the form of a steel cable.
  • FIGS. 8 and 9 illustrate the case of a compartment 80 formed by means of a cut-out membrane 82 located in the collecting 52 or distributing 42 opening.
  • This membrane 82 can be attached or formed at the same time as the wall 21.
  • the collecting 52 or distributing 42 opening comprises a membrane 82, as visible in FIG. Figure 9.
  • the manufacturing process can make it possible to provide such a membrane 82 of material making it possible to initially obstruct the collecting 52 or distributing 42 opening.
  • the passage of a blade can then make it possible to create the opening 81 which will leave one or two parts of membrane, as shown, making it possible to form, with the edges of the wall 21 in the opening 42 or 52, the compartment 80 containing the filter element 61.
  • the compartment 80 is formed by a local modification of the second wall 21 consisting of a protrusion of the latter on either side of the collecting opening 52 or distributing 42 within the annular space 30.
  • the bottom of the collecting 52 or distributing 42 opening is also pierced to form the opening 81 allowing the passage of gas flows F.
  • FIG. 11 shows a compartment 80 formed by a widening in the second wall 21 on either side of the collecting 52 or distributing 42 opening to receive the filtering element 61, here under threaded rod shape.
  • the collecting 52 or distributing 42 opening is then partly formed by the compartment 80 which comprises an opening 81 for the passage of the gases F.
  • the filter element 61 is advantageously in contact with the hollow tube 10. It is therefore blocked between the hollow tube 10 and the compartment 80. In this way, it may be possible to achieve centering of the insert 20 with respect to the hollow tube 10. Indeed, it is necessary to control the thickness of the annular space 30 filled with catalyst. This function, instead of being ensured by an element attached to the surface of the insert 20 such as that of the element 22 described below with reference to FIG. 14, can be directly ensured by the compartment 80 or the filter element 61.
  • the compartment 80 and/or the filter element 61 protrude from the external surface of the insert 20 and are inscribed in a circle of radius slightly smaller than that of the internal wall of the hollow tube 10.
  • the difference between the two radii is less than one-fifth of the thickness of the annular space 30 referred to.
  • the insert 20 comprises for example six chambers, only three can be equipped with a compartment 80 and a filter element 61 of this type, which is enough to center the insert 20.
  • one or more reactive gases are admitted into the distribution chamber 40 through the admission opening 41. These gases then pass through the distribution opening 42 and flow into the space ring 30 in order to be brought into contact with the catalytic powder bed.
  • the reactant gases are converted, at least in part, into products.
  • the products and unreacted reactant gases thus collected are then discharged through the discharge opening 51.
  • the extent of the distribution openings 42 over the length L makes it possible to distribute the reactive gases in the annular space 30 over said length L.
  • this arrangement makes it possible to distribute the quantity of heat likely to be produced during the conversion of the reactive gases into products over the entire length L.
  • This arrangement thus makes it possible to limit the increase in local temperature of the catalytic powder bed.
  • the extension over the length L of the collection openings 52 makes it possible, according to an equivalent principle, to limit heating of the catalytic powder bed.
  • the arrangement of the inlet 41 and outlet 51 openings on opposite ends of the hollow insert 20 also contributes to a better distribution of the reactants within the annular space 30 and consequently to a better homogenization of the temperature of the catalytic powder bed.
  • the catalytic powder is retained in the annular space 30 by a gasket 31 made of fibrous material at each of the ends of the annular space 30.
  • a gasket 31 made of fibrous material at each of the ends of the annular space 30.
  • the fibrous material may in this respect comprise at least one of the elements chosen from: glass fibers, ceramic fibers, metal fibers, carbon fibers, fibers of polymer material, among others.
  • the seal 31 can in particular be in the form of a braid, a sheath, a cord or simply comprise a stuffing of the fibrous material.
  • the fibrous material is advantageously a thermal insulator and has a thermal conductivity substantially equivalent to that of the catalyst used (0.2 W/m/K to 10 W/m/K).
  • the seal 31 made of fibrous material is held in compression against the catalytic powder by a spring 32.
  • the spring 32 is in abutment against a holding plate 33 mechanically linked to the tube 10 by a ring 34 .
  • the joint 31 made of fibrous material in combination with the spring or springs 32 makes it possible to better compact the catalytic powder and to prevent the attrition of the latter during handling or transport of the reactor.
  • the reactive gases can enter the annular space directly without passing through the distribution chamber 40.
  • FIG. 12 it is particularly advantageous to provide an arrangement of the hollow insert 20 making it possible to impose on this reactive gas a predetermined travel path in the annular space 30 in order to promote its conversion on contact catalytic powder bed.
  • This predetermined path has a length of between 0.2 times and 10 times, advantageously between 1 time and 2 times, the distance Di (FIG. 13) separating a distribution opening 42 from an immediately adjacent collection opening 52, and measured along the outer surface of the second wall 21 of the insert 20.
  • the second wall 21 can be devoid of opening on a first section 21a and a second section which extend from, respectively, the first end 11 and the second end 12.
  • the first section 21a and the second section overlap with the powder bed over a height H1.
  • the height H1 being between 0.5 times and 10 times, advantageously between once and twice, the distance Di separating a distribution opening 42 from an immediately adjacent collection opening 52, and measured along the outer surface of the second wall 21.
  • FIG. 14 illustrates a second variant of the present invention which essentially repeats the characteristics of the first variant.
  • the hollow insert 20 relating to this second variant is advantageously manufactured using an additive manufacturing technique.
  • the distribution chamber 40 has a convergent profile from the first end 11 towards the second end 12.
  • the surface S40 of a section of the distribution chamber 40 along a section plane transverse to the longitudinal axis XX' decreases from the first end 11 towards the second end 12 (FIGS. 15A to 15E), advantageously, the surface is zero at the level of the second end 12.
  • the surface S50 of a section of the collection chamber 50 according to a sectional plane transverse to the longitudinal axis XX' increases from the first end 11 towards the second end 12, advantageously, the surface is zero at the level from the first end 11.
  • This arrangement of the distribution 40 and collection 50 chambers makes it possible to minimize the pressure drops linked to the circulation of the gases. Flow inhomogeneities in the annular space 30 are thus reduced.
  • FIG. 16 represents a hollow insert 20 capable of being implemented according to a third variant of the present invention.
  • This third variant essentially takes up the characteristics relating to the first and to the second variant.
  • the insert 20 relating to this second variant can be manufactured by machining, by cutting, by spark erosion, by extrusion, among others.
  • the insert 20 comprises according to this variant a main body 20a interposed between two end bodies 20b, 20c, and assembled by means of a joint 20d.
  • the two terminal bodies 20b, 20c, illustrated in FIG. 16, comprise a cylindrical wall not permeable to gas reproducing the first section 21a described within the framework of the first variant, and comprises distribution openings 42 (or collection 52).
  • the tubular reactor according to the present invention is advantageously implemented for the synthesis of methane, methanol, dimethyl ether or else for implementing the Fisher-Tropsch synthesis.

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Abstract

L'invention concerne un réacteur tubulaire (1) qui comprend un lit de poudre catalytique confiné dans un espace annulaire (30), un insert creux (20) comprenant une chambre de distribution (40) et une chambre de collecte (50), une deuxième paroi (21) comprenant au moins une ouverture distributrice (42) et au moins une ouverture collectrice, caractérisé en ce que le réacteur (1) comporte au moins un élément filtrant (61) positionné au niveau de ladite au moins une ouverture collectrice (52) et au niveau de ladite au moins une ouverture distributrice (42), prévenant le passage de poudre catalytique depuis l'espace annulaire (30) vers ladite au moins une chambre de collecte (50) et de distribution (40), et étant en appui contre la surface externe de la deuxième paroi (21) et recouvrant ladite au moins une ouverture collectrice (52) et distributrice (42) et/ou étant logé à l'intérieur de ladite au moins une ouverture collectrice (52) et distributrice (42).

Description

RÉACTEUR TUBULAIRE À LIT FIXE AVEC ÉLÉMENT FILTRANT
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine des réacteurs-échangeurs. En particulier, la présente invention se rapporte au domaine des réacteurs-échangeurs catalytiques mettant en œuvre un catalyseur solide, et notamment un catalyseur solide sous forme de poudre, ainsi qu'au domaine des moyens de confinement d'un tel catalyseur.
La présente invention propose à cet égard un réacteur-échangeur catalytique susceptible de mettre en œuvre des procédés de synthèses organiques exothermiques. Ces composés organiques peuvent notamment comprendre des carburants de synthèse et du combustible.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les réacteurs catalytiques utilisant des catalyseurs solides sont largement mis en œuvre pour la synthèse de composés organiques tels que les carburants de synthèse ou les combustibles parmi lesquels on peut citer les substituts de gaz naturel, le diméthyléther ou encore le méthanol.
Ces composés sont notamment obtenus par réaction d'hydrogène et d'oxyde de carbone en présence d'un catalyseur solide approprié.
Toutefois, les réactions chimiques relatives à la synthèse de ces composés sont très exothermiques, et dégagent par voie de conséquence une quantité de chaleur susceptible de dégrader le catalyseur solide. Il résulte de cette dégradation une réduction du taux de conversion des espèces chimiques en présence, et une diminution de la sélectivité des réactions mises en jeu. Par ailleurs, le catalyseur solide se désactive sous l'effet de la chaleur.
Ainsi, en pratique, ces réactions peuvent être mises en œuvre dans un réacteur-échangeur du type tube-calandre qui comprend un canal réactif pourvu du catalyseur solide et refroidi continûment par un fluide caloporteur. Dans ce type de réacteur, les gaz réactifs circulent axialement dans les tubes qui contiennent un catalyseur, par exemple en poudre.
Néanmoins, en dépit de la mise en œuvre d'un refroidissement par le fluide caloporteur, ce type de réacteur reste sensible à la chaleur dégagée par les réactions se produisant dans le réacteur.
En particulier, un point chaud, généralement observé à proximité de l'entrée des gaz réactifs, dégrade le catalyseur solide, et réduit donc les performances du réacteur-échangeur.
Afin de limiter ces effets, les solutions suivantes ont été proposées :
- une réduction de la densité volumique de catalyseur, notamment en déposant ce dernier sur les parois du tube ou d'un insert ou en le diluant dans un milieu non réactif ;
- une dilution des gaz réactifs avec une partie des produits générés pour diminuer l'activité de la réaction ;
- réaliser plusieurs points d'injection d'un ou de plusieurs réactifs pour répartir la zone du point chaud sur une plus grande surface ;
- une réduction des dimensions des tubes ou en y plaçant des pièces conductrices de la chaleur afin d'améliorer le refroidissement des tubes.
Ces solutions ne sont toutefois pas satisfaisantes.
En effet, quand bien même elles permettent de réduire les effets du point chaud, elles sont complexes à mettre en œuvre.
Par ailleurs, leur mise en œuvre diminue la flexibilité d'utilisation du réacteur- échangeur, et rend ce dernier peu compact.
Afin de pallier ces problèmes, il alors été proposé un agencement permettant de répartir la distribution des réactifs sur toute la longueur des tubes. Cette solution permet alors d'obtenir une meilleure homogénéité de la température sur toute la longueur du réacteur.
A cet égard, les documents US 3,758,279 A, US 4,374,094 A, EP 0560 157 Al et US 2,997,374 A proposent des réacteurs-échangeurs mettant en œuvre une distribution des réactifs à partir d'un espace de distribution annulaire. Notamment, ces réacteurs-échangeurs, de forme généralement cylindrique, comprennent, agencés de manière coaxiale et à partir de l'extérieur du réacteur, un tube, l'espace de distribution annulaire, une charge de catalyseur et un espace de collecte.
Cet agencement n'est toutefois pas satisfaisant.
En effet, la présence de l'espace de distribution annulaire disposé autour de la charge de catalyseur, limite les transferts de chaleur du catalyseur vers le tube rendant peu efficace les systèmes de refroidissement généralement mis en œuvre. Il reste néanmoins possible d'insérer des éléments conducteurs de chaleur dans le réacteur. Une telle solution reste toutefois incompatible avec les réacteurs comprenant des tubes de faible diamètre.
Inversement, le document CN 103990420 A propose de mettre en œuvre un insert pourvu d'une chambre de distribution et d'une chambre de collecte, disposée au centre d'un tube et définissant avec ce dernier une espace annulaire logeant le catalyseur solide.
Toutefois, l'agencement proposé dans ce document ne permet pas de répartir de manière homogène au sein de l'espace annulaire. Plus particulièrement, cet agencement ne permet pas d'obtenir un profil de température optimal au sein du catalyseur solide.
Par ailleurs, on connaît de la demande de brevet européen EP 3 827 895 Al de la Demanderesse un principe de distribution étagée de gaz dans un réacteur-échangeur. Le réacteur comporte un catalyseur prévu dans un espace annulaire situé entre un tube creux et un insert creux pourvu de chambres de distribution et de collecte. Le principe de confinement du catalyseur n'est pas enseigné et il subsiste un besoin pour concevoir une solution à cette problématique de confinement du lit de poudre catalytique.
Un but de la présente invention est de proposer un réacteur tubulaire à lit fixe permettant une distribution plus uniforme des réactifs au sein du catalyseur solide.
Un autre but de la présente invention est également de proposer un réacteur tubulaire à lit fixe permettant une répartition plus homogène du flux de chaleur généré au sein du catalyseur solide. Un autre but de la présente invention est également de proposer un réacteur tubulaire permettant une meilleure gestion du refroidissement.
Un autre but de la présente invention est également de proposer un réacteur tubulaire pour lequel la fiabilité et la durée de vie sont améliorées au regard des réacteurs connus de l'état de la technique.
Un autre but de la présente invention est de proposer un réacteur tubulaire permettant d'optimiser (augmenter) le temps de passage des gaz dans le lit fixe de poudre catalytique.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention vise à remédier au moins partiellement aux besoins et buts mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur.
L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un réacteur tubulaire à lit fixe qui s'étend, selon un axe longitudinal, entre une première extrémité et une deuxième extrémité, le réacteur comprenant un lit de poudre catalytique confiné dans un espace annulaire délimité par une première paroi d'un tube creux et une deuxième paroi d'un insert creux, disposé dans le tube creux et de manière coaxiale à ce dernier, l'insert creux comprenant au moins une chambre de distribution et au moins une chambre de collecte, séparées l'une de l'autre par une paroi séparatrice, et comprenant, respectivement, une ouverture d'admission de gaz au niveau de la première extrémité et une ouverture d'évacuation de gaz au niveau de la deuxième extrémité, la deuxième paroi comprenant au moins une ouverture distributrice et au moins une ouverture collectrice, qui s'étendent sur une longueur, l'ouverture distributrice permettant la distribution d'un gaz susceptible d'être admis par l'ouverture d'admission de la chambre de distribution vers l'espace annulaire, et l'ouverture collectrice permettant la collecte du gaz distribué dans l'espace annulaire par la chambre de collecte, caractérisé en ce que le réacteur comporte au moins un élément filtrant positionné au niveau de ladite au moins une ouverture collectrice entre ladite au moins une chambre de collecte et l'espace annulaire, ainsi qu'au niveau de ladite au moins une ouverture distributrice entre ladite au moins une chambre de distribution et l'espace annulaire, ledit au moins un élément filtrant prévenant le passage de poudre catalytique depuis l'espace annulaire respectivement vers ladite au moins une chambre de collecte et ladite au moins une chambre de distribution, ledit au moins un élément filtrant étant en appui contre la surface externe de la deuxième paroi et recouvrant totalement ladite au moins une ouverture collectrice et ladite au moins une ouverture distributrice et/ou étant logé au moins partiellement à l'intérieur de ladite au moins une ouverture collectrice et ladite au moins une ouverture distributrice.
Le réacteur selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.
Il est entendu que dans la mesure où le réacteur selon la présente invention est tubulaire, le tube creux et l'insert creux sont nécessairement de forme cylindrique mais pas nécessairement cylindrique de révolution.
Par ailleurs, dès lors que l'insert creux est disposé dans le tube creux et de manière coaxiale à ce dernier, l'espace annulaire peut présenter une symétrie de révolution.
Ainsi, le réacteur selon la présente invention permet de distribuer les gaz réactifs, du fait de l'étendue de l'ouverture de distribution, de manière relativement homogène dans l'espace annulaire. Ces derniers réagissent alors avec le lit de poudre catalytique sur toute la section couverte par l'ouverture de distribution. Les produits issus de la réaction des gaz, ainsi que les gaz n'ayant pas réagi sont collectés au niveau de l'ouverture de collecte et évacués du réacteur par l'ouverture d'évacuation opposée à l'ouverture d'admission.
Cet agencement pour lequel l'admission des gaz se fait par une extrémité et l'évacuation par l'autre extrémité permet une meilleure répartition des espèces réactives (les gaz) dans l'espace annulaire, et par voie de conséquence une meilleure répartition de la chaleur susceptible d'être dégagée lors de la réaction des espèces réactives dans l'espace annulaire.
Cette meilleure répartition de la chaleur dégagée permet de considérer un système de refroidissement moins puissant et donc de plus petites dimensions.
L'agencement selon la présente invention permet donc d'envisager un réacteur plus compact, et d'une fiabilité améliorée au regard des réacteurs tubulaires connus de l'état de la technique.
Ledit au moins un élément filtrant peut se présenter au moins en partie sous la forme d'une ou plusieurs feuilles filtrantes positionnées contre la surface externe de la deuxième paroi de l'insert creux et recouvrant totalement ladite au moins une ouverture collectrice et ladite au moins une ouverture distributrice par appui sur la surface externe de la deuxième paroi de part et d'autre de celles-ci.
La ou les feuilles filtrantes peuvent comporter un tissu, un feutre, par exemple en fibres de verre, fibres métalliques, fibres de carbone, une grille métallique et/ou une tôle métallique micro perforée, entre autres.
De plus, la ou les feuilles filtrantes peuvent se présenter sous une forme au moins en partie cylindrique, notamment sous la forme d'une ou plusieurs portions de forme cylindrique, épousant la forme cylindrique de la surface externe de la deuxième paroi de l'insert et emmanchées sur l'insert.
La ou les feuilles filtrantes peuvent être solidarisées à l'insert par soudure par points, par brasure et/ou par le biais d'au moins une ligature autour de l'insert et de la ou des feuilles filtrantes, par exemple un ou des fils métalliques enroulés autour de ceux-ci.
En outre, le réacteur peut comporter au moins un compartiment au niveau de chacune desdites au moins une ouverture collectrice et une ouverture distributrice, ledit au moins un élément filtrant étant au moins en partie logé à l'intérieur dudit au moins un compartiment et de ladite au moins une ouverture collectrice et ladite au moins une ouverture distributrice.
Un élément filtrant peut avantageusement être introduit à l'intérieur de chaque compartiment, au contact de la ou des parois internes du compartiment. Chaque compartiment peut comporter une ou plusieurs ouvertures permettant la circulation des gaz.
De plus, un ou plusieurs compartiments peuvent être formés par le biais d'une modification locale, au niveau d'une ou plusieurs ouvertures collectrice et distributrice, de la deuxième paroi de l'insert.
Un ou plusieurs compartiments peuvent être formés par le biais d'une membrane découpée placée dans une ou plusieurs ouvertures collectrice et distributrice.
En outre, ledit au moins un élément filtrant peut venir au contact du tube creux de sorte à permettre un centrage de l'insert par rapport au tube creux.
Par ailleurs, le ou les compartiments et l'insert peuvent former une pièce monobloc.
L'au moins une chambre de distribution peut être obturée au niveau de la deuxième extrémité, et l'au moins une chambre de collecte peut être obturée au niveau de la première extrémité.
Le réacteur peut comprendre au niveau de la première extrémité et au niveau de la deuxième extrémité, respectivement, un espace distributeur et un espace collecteur entre lesquels l'insert est disposé.
La poudre catalytique peut être retenue dans l'espace annulaire par un joint en matière fibreuse au niveau de chacune des extrémités de l'espace annulaire.
Le joint en matière fibreuse peut être maintenu en compression contre la poudre catalytique par un ressort, le ressort étant en butée contre une plaque de maintien liée mécaniquement au tube.
Le joint en matière fibreuse en combinaison avec le ou les ressorts permet de mieux compacter la poudre catalytique et de prévenir l'attrition de cette dernière lors de la manipulation ou le transport du réacteur.
La paroi externe peut être dépourvue d'ouverture sur une première section et une deuxième section qui s'étendent à partir, respectivement, de la première extrémité et de la deuxième extrémité, la première section et la deuxième section étant en recouvrement avec le lit de poudre sur une hauteur H, la hauteur H étant comprise entre 0,5 fois et 10 fois, avantageusement comprise entre 1 fois et 2 fois, la distance séparant une ouverture de distribution d'une ouverture de collecte immédiatement adjacente, et mesurée le long de la surface externe de la paroi externe.
Ainsi, un tel agencement permet d'imposer un temps de passage aux gaz réactifs susceptibles de pénétrer dans l'espace annulaire par le joint fibreux.
L'insert creux peut être muni de moyens de centrage maintenant ce dernier en position coaxiale avec le tube creux, de manière avantageuse, les moyens de centrage comprennent des bossages formés sur la deuxième paroi.
Ces moyens de centrage permettent un montage plus facile du réacteur.
La surface d'une section de la chambre de distribution selon un plan de coupe transversal à l'axe longitudinal peut diminuer de la première extrémité vers la deuxième extrémité, avantageusement, ladite surface est nulle au niveau de la deuxième extrémité.
Les méthodes de fabrication additive, et notamment les techniques de fabrication 3D permettent de réaliser ces structures complexes sous forme d'une pièce monobloc.
La surface d'une section de la chambre de collecte selon un plan de coupe transversal à l'axe longitudinal peut augmenter de la première extrémité vers la deuxième extrémité, avantageusement, ladite surface est nulle au niveau de la première extrémité.
L'ouverture de collecte et l'ouverture de distribution peuvent présenter une largeur comprise entre 1/100 et 1/2, avantageusement comprise entre 1/20 et 1/4, du diamètre du tube creux.
L'insert creux peut former une pièce monobloc.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel :
[Fig. 1] est une représentation schématique d'un réacteur tubulaire à lit fixe selon une première variante de la présente invention, en particulier [Fig. 1] représente le réacteur selon un plan de coupe longitudinale passant par un axe longitudinal XX' du réacteur ; [Fig. 2] est une représentation schématique du réacteur de [Fig. 1] selon un plan de coupe transversal perpendiculaire à l'axe longitudinal ;
[Fig. 3] est une représentation d'un élément filtrant, et notamment d'un filtre formé de quatre plans de fibres, susceptible d'être mis en œuvre dans le réacteur tubulaire selon la présente invention ;
[Fig.4], [Fig. 5] et [Fig.6] sont des représentations en coupe transversale partielle d'inserts équipés d'éléments filtrant conformes à l'invention,
[Fig. 7] est une représentation en coupe transversale partielle d'un autre exemple d'insert équipé d'un compartiment avec élément filtrant conforme à l'invention,
[Fig. 8] et [Fig. 9] sont des représentations en coupe transversale partielle, respectivement avant et après découpe d'une membrane, permettant d'illustrer l'obtention d'un autre exemple de compartiment avec élément filtrant conforme à l'invention,
[Fig. 10] et [Fig. 11] sont des représentations en coupe transversale partielle d'autres réalisations de compartiments avec éléments filtrant conformes à l'invention positionnés au contact du tube creux,
[Fig. 12] est une représentation d'un réacteur tubulaire à lit fixe selon la première variante de la présente invention au niveau de la première extrémité illustrant l'agencement du joint et du ressort retenant le lit de poudre catalytique ;
[Fig. 13] est une représentation schématique de l'insert creux selon le plan de coupe AA' de [Fig. 12] ;
[Fig. 14] est une représentation schématique d'un insert selon une deuxième variante de la présente invention, en particulier [Fig. 14] représente le réacteur selon un plan de coupe longitudinale passant par un axe longitudinal XX' du réacteur ;
[Fig. 15A], [Fig. 15B], [Fig. 15C], [Fig. 15D] et [Fig. 15E] sont des vues, respectivement, selon les plans de coupe A, B, C, D et E de l'insert creux représenté à [Fig. 14] ;
[Fig. 16] est une représentation schématique d'un insert selon une troisième variante de la présente invention, en particulier [Fig. 16] représente le réacteur selon un plan de coupe longitudinale passant par un axe longitudinal XX' du réacteur ; et [Fig. 17] et [Fig. 18] sont des vues, respectivement, selon les plans de coupe CC' et DD' de l'insert creux représenté à [Fig. 16].
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La présente invention concerne un réacteur-échangeur tubulaire à lit de poudre catalytique fixe. En particulier, le lit de poudre catalytique est confiné dans un espace annulaire délimité par une première paroi d'un tube creux et une deuxième paroi d'un insert creux disposé dans le tube et de manière coaxiale à ce dernier.
L'insert creux selon la présente invention est notamment agencé pour permettre une admission de gaz réactifs selon une première extrémité du réacteur dans une chambre de distribution de l'insert. Ces derniers sont ensuite distribués sur une section de l'espace annulaire étendue sur une longueur L, par une ouverture de distribution permettant un passage des gaz de la chambre de distribution vers l'espace annulaire.
Les produits issus de la réaction entre espèces réactives sont ensuite collectés, par l'intermédiaire d'une ouverture de collecte, dans une chambre de collecte de l'insert creux, isolée de la chambre de distribution par une paroi séparatrice.
L'évacuation des produits s'effectue par une ouverture d'évacuation de la chambre de collecte au niveau de la deuxième extrémité.
Aux figures 1 et 2, on peut voir un exemple de réalisation d'un réacteur tubulaire à lit fixe selon une première variante de la présente invention.
Le réacteur tubulaire 1 selon la présente invention comprend un tube creux 10 qui, s'étend selon un axe longitudinal XX', entre une première extrémité 11 et une deuxième extrémité 12.
Le tube creux 10 peut présenter une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal XX'. Le tube creux 10 peut comprendre un métal, et notamment un métal choisi parmi : acier, alliage d'aluminium, de cuivre, de nickel, entre autres. Le diamètre de la surface interne du tube creux 10 peut être compris entre 5 mm et 100 mm.
La paroi, dite première paroi, formant le tube creux 10 peut présenter une épaisseur comprise entre 0,5 mm et 10 mm. Le tube creux 10 peut présenter une longueur comprise entre 10 fois et 200 fois son diamètre interne.
Le réacteur tubulaire 1 comprend également un insert creux 20 qui s'étend également selon l'axe longitudinal XX' et présente une forme externe cylindrique. L'insert creux 20 peut être une pièce monobloc.
L'insert creux 20 est notamment logé dans le volume V du tube creux 10 de manière coaxiale à ce dernier. En particulier, l'insert 20 comprend une paroi, dite deuxième paroi 21, qui délimite avec la première paroi du tube creux un espace annulaire 30.
L'espace annulaire 30 est, à cet égard, rempli d'une poudre catalytique qui sera le siège des réactions de conversion de gaz réactifs susceptibles de transiter dans le réacteur tubulaire 1.
L'espace annulaire 30 peut présenter une épaisseur, définie comme la distance entre la première paroi et la deuxième paroi, comprise entre 2% et 20 % du diamètre interne de la première paroi.
De manière particulièrement avantageuse, l'insert creux 20 peut être muni de moyens de centrage maintenant ce dernier en position coaxiale avec le tube creux 10. Par exemple, tel que représenté à la figure 14 relative à une seconde variante de la présente invention discutée dans la suite de l'énoncé, les moyens de centrage comprennent des bossages 22 formés sur la deuxième paroi 21.
Ces moyens de centrage 22 permettent notamment de considérer un insert creux 20 d'une longueur au moins 20 fois supérieure au diamètre dudit insert. Par ailleurs, ces moyens de centrage 22 permettent également de faciliter le montage du réacteur tubulaire 1.
L'insert creux 20 comprend par ailleurs au moins une chambre de distribution
40 et au moins une chambre de collecte 50. En particulier, l'insert creux 20 peut comprendre entre une et quatre chambres de distribution 40, et entre une et quatre chambres de collecte 50.
Les chambres de distribution 40 et les chambres de collecte 50 sont avantageusement disposées en alternance, s'étendent sur toute la longueur de l'insert creux 20 et sont séparées les unes des autres par des parois séparatrices 60.
Plus particulièrement, les parois séparatrices 60 s'étendent sur toute la longueur de l'insert creux 20 dans le volume défini par l'insert creux 20.
Par ailleurs, l'au moins une chambre de distribution 40 comprend une ouverture d'admission 41 au niveau d'une extrémité de l'insert 20 par laquelle un ou des gaz réactifs sont susceptibles d'être admis.
De manière équivalente, l'au moins une chambre de collecte 50 comprend une ouverture d'évacuation 51 au niveau de l'autre extrémité de l'insert creux 20 et par laquelle un ou plusieurs gaz sont susceptibles d'être évacués.
L'insert creux 20 est également pourvu d'au moins une ouverture distributrice 42, ou de distribution, et d'au moins une ouverture collectrice 52, ou de collecte. En particulier, l'ouverture distributrice 42 forme un passage perméable aux gaz réactifs de la chambre distributrice 40 vers l'espace annulaire 30. De manière équivalente, l'ouverture de collecte 52 forme un passage perméable aux gaz de l'espace annulaire 30 vers la chambre de collecte 50. Les ouvertures de distribution 42 et collectrice 52 s'étendent sur une longueur L.
Avantageusement, la longueur L est supérieure à la moitié, avantageusement aux trois quarts de la longueur d'extension selon l'axe longitudinal XX' de l'espace annulaire 30.
Par ailleurs, l'au moins une chambre de distribution 40 est obturée au niveau de la deuxième extrémité 12, tandis que l'au moins une chambre de collecte 50 est obturée au niveau de la première extrémité 11. À cet égard, tel qu'illustré à la figure 1, la chambre de distribution 40 est obturée par une paroi de distribution 43, tandis que la chambre de collecte 50 est obturée par une paroi de collecte 53.
De manière complémentaire, le réacteur tubulaire 1 peut comprendre au niveau de la première extrémité 11 et au niveau de la deuxième extrémité 12, respectivement, un espace distributeur 13 et un espace collecteur 14 entre lesquels l'insert creux 20 est disposé.
De manière avantageuse, l'ouverture de collecte 42 et l'ouverture de distribution 52 présentent une largeur comprise entre 1/100 et 1/2, avantageusement comprise entre 1/20 et 1/4, du diamètre du tube creux 10.
Conformément à l'invention, chaque ouverture de collecte 52 et chaque ouverture de distribution 42 sont associées par ailleurs à un ou plusieurs éléments filtrant 61 prévenant le passage de poudre catalytique dans l'une ou l'autre des chambres de collecte 50 ou de distribution 40. Précisément, ce ou ces éléments filtrant 61 permettent de confiner le catalyseur dans l'espace annulaire 30 du fait de leur imperméabilité au catalyseur.
Par exemple, et tel qu'illustré à la figure 3, un élément filtrant 61 peut être sous la forme d'un filtre, notamment une feuille filtrante, qui peut comprendre une pluralité de plans 61a, 61b, 61c et 61d comprenant des fibres. L'exemple illustré à la figure 3 comprend en particulier quatre plans, pourvus chacun de fibres rectangulaires ou rondes et inclinées à plus ou moins 45° par rapport à l'axe longitudinal XX'. Plus particulièrement, les fibres de deux plans successifs sont orientées selon deux angles différents, et sont notamment perpendiculaires d'un plan à l'autre.
Les figures 4 à 11 permettent d'illustrer différentes réalisations d'un ou de plusieurs éléments filtrant 61 pouvant être utilisés dans tout type de réacteur 1 conforme à l'invention.
Ce ou éléments filtrant 61 sont positionnés au niveau de chaque ouverture collectrice 52 entre une chambre de collecte 50 et l'espace annulaire 30, ainsi qu'au niveau de chaque ouverture distributrice 42 entre une chambre de distribution 40 et l'espace annulaire 30. Ils permettent avantageusement de confiner le catalyseur dans l'espace annulaire 30 et donc de prévenir le passage de poudre catalytique depuis l'espace annulaire 30 vers les chambres de collecte 50 et les chambres de distribution 40.
Comme illustré aux figures 4 à 6, le ou les éléments filtrant 61 peuvent se présenter sous la forme d'une ou plusieurs feuilles filtrantes 61 positionnées en appui contre la surface externe de la deuxième paroi 21 de l'insert creux 20. Elles recouvrent alors totalement les ouvertures collectrices 52 et les ouvertures distributrices 42 par appui sur la surface externe de la deuxième paroi 21 de part et d'autre de celles-ci. Autrement dit, la ou les feuilles filtrantes 61 peuvent s'apparenter à un ou plusieurs filtres enroulés autour de l'insert 20 et recouvrant les ouvertures collectrices 52 et les ouvertures distributrices 42.
Cette ou ces feuilles filtrantes 61 peuvent par exemple comporter un tissu, un feutre, par exemple en fibres de verre, fibres métalliques, fibres de carbone, une grille et/ou une tôle métallique ou céramique microperforée. En particulier, dans le cas d'une grille ou d'une tôle microperforée, la taille des mailles ou des porosités est inférieure au diamètre des particules de catalyseur. A noter qu'un tissu ou une grille de faible épaisseur, comparable à la taille des particules, typiquement entre 20 pm et 1 mm, positionné(e) avec un minimum de jeu par rapport à la surface de l'insert 20 sont préférés afin de ne pas favoriser la circulation du gaz dans l'épaisseur de la ou des feuilles filtrantes 61, ou entre celles-ci et l'insert 20, ce qui empêcherait de mettre en contact le gaz avec le catalyseur (et donc limiterait la réaction), et pour ne pas isoler thermiquement le catalyseur de la paroi de l'insert 20, ce qui limiterait l'homogénéisation de la température dans le réacteur 1 et favoriserait l'apparition de points chauds si la réaction est exothermique par exemple.
L'utilisation d'un ou plusieurs éléments filtrant 61 sous la forme d'une ou plusieurs feuilles filtrantes 61 permet d'utiliser une forme d'insert 20 très simple, typiquement avec une section circulaire, et en particulier avec un contour de forme convexe de sorte à ne pas créer d'espace entre l'insert 20 et la ou les feuilles filtrantes 61.
Comme illustré sur la figure 4, une feuille filtrante 61 peut être prévue, celle-ci recouvrant toutes les ouvertures collectrice 52 et distributrice 42 sans pour autant recouvrir toute la surface externe de la deuxième paroi 21. Ainsi, la feuille filtrante 61 peut se présenter sous une forme cylindrique ouverte, ou encore sous la forme d'un tube ouvert, et peut venir s'emmancher autour de l'insert 20 à la manière d'une chaussette. Le pourtour de l'insert 20 n'est pas entièrement recouvert par la feuille filtrante 61.
En variante, comme illustré sur la figure 5, la feuille filtrante 61 peut également recouvrir entièrement la circonférence de l'insert 20, de sorte à être enroulée tout autour de l'insert 20, et être refermée sur elle-même au niveau d'une zone de superposition ZS des extrémités de la feuille filtrante 61. Le pourtour de l'insert 20 est entièrement recouvert par la feuille filtrante 61.
Par ailleurs, comme illustré sur la figure 6, il est également possible d'utiliser une pluralité de feuilles filtrantes 61, constituant alors des morceaux de filtre sous forme de portions de forme cylindrique, chacune recouvrant une ouverture distributrice 42 ou une ouverture collectrice 52.
La fixation de la ou des feuilles filtrantes 61, directement sur la surface externe de la deuxième paroi 21 de l'insert 20 et/ou au niveau de la zone de superposition ZS, peut se faire par soudure par points ou encore par brasure. Il est également possible de maintenir la ou feuilles filtrantes 61 en place sur l'insert 20 par le biais d'une ligature, par exemple composée d'un ou plusieurs fils métalliques enroulés autour de l'insert 20 et de la ou des feuilles filtrantes 61.
En outre, comme illustré aux figures 7 à 11, le ou les éléments filtrants 61 peuvent encore être logés au moins en partie à l'intérieur d'une ouverture collectrice 52 ou d'une ouverture distributrice 42.
En particulier, le réacteur 1 peut comporter un compartiment 80 au niveau de chacune des ouvertures collectrices 52 et distributrices 42. Ce compartiment 80 peut permettre de loger au moins en partie un ou plusieurs éléments filtrant 61. Ce compartiment 80 est au moins en partie formé à l'intérieur d'une ouverture collectrice 52 ou d'une ouverture distributrice 42.
Avantageusement, le ou les éléments filtrant 61 placés dans un compartiment 80 sont au contact de la ou des parois internes du compartiment 80.
Chaque compartiment 80 peut être formée de manière continue sur toute ou partie de la longueur de l'insert 20 selon l'axe longitudinal XX'. Il est avantageusement ajusté à ou aux éléments filtrant 61 qu'il doit recevoir de façon à retenir le catalyseur dans l'espace annulaire 30.
Chaque compartiment 80 comporte en outre une ou plusieurs ouvertures 81, identifiées sur les figures 7, 9, 10 et 11, permettant la circulation des gaz au travers ou autour du ou des éléments filtrant 61, entre les chambres de collecte 50 et de distribution 40 et l'espace annulaire 30 contenant le catalyseur. De préférence, la ou les ouvertures
81 sont continues sur la longueur de l'insert 20 de sorte à permettre la mise en place du ou des éléments filtrant 61 dans le compartiment 80.
Avantageusement, la porosité du ou des éléments filtrant 61 est plus petite que la taille des particules du catalyseur. Elle réalise la fonction de séparation entre les gaz et le catalyseur. Cette porosité est soit une composante d'un matériau poreux utilisé dans le ou les éléments filtrants 61, tel qu'un matériau fibreux, laine, tresse, mousse, fritté, céramique silice ou métallique, acier ou carbone, et les gaz circulent alors préférentiellement au travers du ou des éléments filtrant 61, soit créée par un espace ménagé entre le ou les éléments filtrant 61 et le compartiment 80, les gaz circulant alors préférentiellement autour du ou des éléments filtrant 61.
L'espace de circulation des gaz peut être par exemple un jeu de montage du ou des éléments filtrant 61 dans leur compartiment 80, ou bien créée par une rugosité de surface du compartiment 80 ou du ou des éléments filtrant 61, par exemple une tige filetée ou un câble en acier.
La dimension de la section du ou des éléments filtrant 61 et du compartiment 80 est typiquement comprise entre 1 mm et 5 mm. De plus, la section du ou des éléments filtrant 61 peut être ronde, carrée ou rectangulaire, voire encore toute autre forme pourvue qu'elle soit adaptée au compartiment 80 et ne permette pas aux particules de catalyseur de migrer vers les chambres de distribution 40 et de collecte 50.
De manière avantageuse, l'utilisation de tels compartiments 80 associés chacun à un ou plusieurs éléments filtrant 61 permet de faciliter la mise en place de ceux- ci dans l'insert 20, à la manière d'un joint placé dans une gorge. De plus, les éléments filtrant 61 peuvent être maintenus en position par le frottement avec la ou les parois du compartiment 80 de sorte que tout autre moyen de fixation peut être évité, tel que la soudure, la brasure ou la ligature. Par ailleurs, l'absence d'élément filtrant 61 sur toute la surface externe de la deuxième paroi 21 de l'insert 20 peut permettre de libérer cette surface pour y rapporter d'autres éléments, par exemple destinés à assurer le centrage par rapport au tube 10. En outre, l'absence d'élément filtrant 61 sur la surface externe de la deuxième paroi 21 de l'insert 20 peut permettre un meilleur transfert de la chaleur entre le lit de poudre catalytique et l'insert 20. Il est également possible ainsi d'utiliser un élément filtrant plus épais, moins fragile et moins cher. Il est possible de mettre en place un élément filtrant 61 avec de très petites porosités générant une résistance au passage des gaz qui peut être bénéfique pour homogénéiser la distribution des gaz réactifs sur toute la longueur de l'insert 20. Enfin, il est possible de rendre concave le contour de la section de l'insert 20 sans créer de passage de gaz préférentiel entre l'insert 20 et l'élément filtrant 61.
Dans les exemples des figures 7, 10 et 11, les compartiments 80 sont formés par le biais d'une modification locale de la deuxième paroi 21 de l'insert 20 au niveau de chaque ouverture collectrice 52 et chaque ouverture distributrice 42.
Précisément, dans l'exemple de la figure 7, un compartiment 80 est formé au niveau d'une ouverture collectrice 52 ou distributrice 42 par modification de la deuxième paroi 21, en particulier par excroissance de la paroi 21 vers la chambre de collecte 50 ou de distribution 40 pour former un compartiment 80 de forme cylindrique, ouvert sur l'ouverture collectrice 52 ou distributrice 42 et ouvert sur la chambre de collecte 50 ou de distribution 40 par le biais d'une ouverture longitudinale 81. Le compartiment 80 peut être réalisé en même que l'insert 20 et être d'un seul tenant avec celui-ci. Il faut noter que le compartiment 80 peut aussi être formé par un élément rapporté sur la paroi 21.
Dans cet exemple, et de façon nullement limitative, l'élément filtrant 61 se présente sous la forme d'un câble en acier.
De façon avantageuse, il peut être possible d'associer la création du compartiment 80 à la réalisation de l'ouverture collectrice 52 ou distributrice 42.
Ainsi, les figures 8 et 9 illustrent le cas d'un compartiment 80 formé par le biais d'une membrane découpée 82 située dans l'ouverture collectrice 52 ou distributrice 42. Cette membrane 82 peut être rapportée ou formée en même temps que la paroi 21.
Précisément, l'ouverture collectrice 52 ou distributrice 42 comporte une membrane 82, comme visible sur la figure 8, laquelle est ensuite découpée pour obtenir l'ouverture 81 et pour former le compartiment 80 permettant de loger l'élément filtrant 61, comme visible sur la figure 9. Par exemple, si l'insert 20 est réalisé par extrusion, le procédé de fabrication peut permettre de prévoir une telle membrane 82 de matière permettant d'obstruer dans un premier temps l'ouverture collectrice 52 ou distributrice 42. Le passage d'une lame peut alors permettre de créer l'ouverture 81 qui laissera une ou deux parties de membrane, comme représenté, permettant de former, avec les bords de la paroi 21 dans l'ouverture 42 ou 52, le compartiment 80 contenant l'élément filtrant 61.
En outre, dans l'exemple de réalisation de la figure 10, le compartiment 80 est formé par une modification locale de la deuxième paroi 21 consistant en une excroissance de celle-ci de part et d'autre de l'ouverture collectrice 52 ou distributrice 42 au sein de l'espace annulaire 30. Le fond de l'ouverture collectrice 52 ou distributrice 42 est également percé pour former l'ouverture 81 permettant le passage des flux de gaz F.
De plus, l'exemple de réalisation de la figure 11 montre un compartiment 80 formé par un évasement dans la deuxième paroi 21 de part et d'autre de l'ouverture collectrice 52 ou distributrice 42 pour recevoir l'élément filtrant 61, ici sous forme de tige filetée. L'ouverture collectrice 52 ou distributrice 42 est alors en partie formée par le compartiment 80 qui comprend une ouverture 81 pour le passage des gaz F.
Dans ces deux exemples de réalisation des figures 10 et 11, l'élément filtrant 61 est avantageusement au contact du tube creux 10. Il est donc bloqué entre le tube creux 10 et le compartiment 80. De cette façon, il peut être possible de réaliser un centrage de l'insert 20 par rapport au tube creux 10. En effet, il est nécessaire de maîtriser l'épaisseur de l'espace annulaire 30 rempli de catalyseur. Cette fonction, au lieu d'être assurée par un élément rapporté sur la surface de l'insert 20 tel que celui l'élément 22 décrit par la suite en référence à la figure 14, peut être directement assurée par le compartiment 80 ou l'élément filtrant 61.
Dans ces exemples particuliers, le compartiment 80 et/ou l'élément filtrant 61 dépassent de la surface externe de l'insert 20 et sont inscrits dans un cercle de rayon légèrement inférieur à celui de la paroi interne du tube creux 10. Par exemple, la différence entre les deux rayons est inférieure à un cinquième de l'épaisseur de l'espace annulaire 30 visé. Ainsi, dans le cas où l'insert 20 comporte par exemple six chambres, seulement trois peuvent être équipées d'un compartiment 80 et d'un élément filtrant 61 de ce type, ce qui suffit à centrer l'insert 20.
Lors du fonctionnement du réacteur 1, un ou des gaz réactifs sont admis dans la chambre de distribution 40 par l'ouverture d'admission 41. Ces gaz passent ensuite au travers de l'ouverture de distribution 42 et s'écoulent dans l'espace annulaire 30 afin d'être mis en contact avec le lit de poudre catalytique. Lors de cet écoulement dans l'espace annulaire 30, qui se produit essentiellement entre une ouverture de distribution 42 et une ouverture de collecte 52 qui lui est immédiatement adjacente, les gaz réactifs sont convertis, au moins en partie, en produits. Ces derniers, ainsi que la fraction de gaz réactifs n'ayant pas réagi, passent au travers de l'ouverture de collecte 52 ainsi considérée et sont collectés dans la chambre de collecte 50. Les produits et des gaz réactifs n'ayant pas réagi ainsi collectés sont ensuite évacués par l'ouverture d'évacuation 51.
Ainsi, l'étendue des ouvertures de distribution 42 sur la longueur L permet de distribuer les gaz réactifs dans l'espace annulaire 30 sur ladite longueur L. En d'autres termes, cet agencement permet de distribuer la quantité de chaleur susceptible d'être produite lors de la conversion des gaz réactifs en produits sur toute la longueur L. Cet agencement permet ainsi de limiter l'augmentation de température locale du lit de poudre catalytique. L'étendue sur la longueur L des ouvertures de collecte 52 permet, selon un principe équivalent, de limiter réchauffement du lit de poudre catalytique.
Par ailleurs, la disposition des ouvertures d'admission 41 et d'évacuation 51 sur des extrémités opposées de l'insert creux 20 contribue également à une meilleure distribution des réactifs au sein de l'espace annulaire 30 et par voie de conséquence à une meilleure homogénéisation de la température du lit de poudre catalytique.
Tous ces aspects contribuent à limiter l'apparition de points chauds et ainsi préserver le lit de poudre catalytique. Il en résulte une meilleure fiabilité du réacteur tubulaire 1 et une augmentation de sa durée de vie.
Selon un aspect particulièrement avantageux illustré à la figure 12, la poudre catalytique est retenue dans l'espace annulaire 30 par un joint 31 en matière fibreuse au niveau de chacune des extrémités de l'espace annulaire 30. Dans la mesure où le joint est en matière fibreuse, ce dernier est nécessairement poreux et donc perméable aux gaz réactifs. La matière fibreuse peut à cet égard comprendre au moins un des éléments choisi parmi : fibres de verre, fibres de céramique, fibres de métal, fibres de carbone, fibres de matériau polymère, entre autres.
Le joint 31 peut notamment être sous forme d'une tresse, d'une gaine, d'une cordelette ou simplement comprendre un bourrage de la matière fibreuse. La matière fibreuse est avantageusement un isolant thermique et présente une conductivité thermique sensiblement équivalente à celle du catalyseur utilisé (0,2 W/m/K à 10 W/m/K).
Selon un mode de réalisation avantageux, le joint 31 en matière fibreuse est maintenu en compression contre la poudre catalytique par un ressort 32. Par exemple, le ressort 32 est en butée contre une plaque de maintien 33 lié mécaniquement au tube 10 par une bague 34.
Le joint 31 en matière fibreuse en combinaison avec le ou les ressorts 32 permet de mieux compacter la poudre catalytique et de prévenir l'attrition de cette dernière lors de la manipulation ou le transport du réacteur.
Dans la mesure où le joint 31 est poreux, les gaz réactifs peuvent pénétrer dans l'espace annulaire directement sans passer par la chambre de distribution 40.
Dans ce cas de figure (figure 12), il est particulièrement avantageux de prévoir un agencement de l'insert creux 20 permettant d'imposer à ce gaz réactif un chemin de parcours prédéterminé dans l'espace annulaire 30 afin de favoriser sa conversion au contact du lit de poudre catalytique. Ce parcours prédéterminé est d'une longueur comprise entre 0,2 fois et 10 fois, avantageusement comprise entre 1 fois et 2 fois, la distance Di (figure 13) séparant une ouverture de distribution 42 d'une ouverture de collecte 52 immédiatement adjacente, et mesurée le long de la surface externe de la deuxième paroi 21 de l'insert 20.
À cette fin, la deuxième paroi 21 peut être dépourvue d'ouverture sur une première section 21a et une deuxième section qui s'étendent à partir, respectivement, de la première extrémité 11 et de la deuxième extrémité 12. À cet égard, la première section 21a et la deuxième section sont en recouvrement avec le lit de poudre sur une hauteur Hl. La hauteur H1 étant comprise entre 0,5 fois et 10 fois, avantageusement entre une fois et 2 fois, la distance Di séparant une ouverture de distribution 42 d'une ouverture de collecte 52 immédiatement adjacente, et mesurée le long de la surface externe de la deuxième paroi 21.
La figure 14 illustre une deuxième variante de la présente invention qui reprend pour l'essentiel les caractéristiques de la première variante. L'insert creux 20 relative à cette deuxième variante est avantageusement fabriqué selon une technique de fabrication additive.
Selon cette deuxième variante, la chambre de distribution 40 présente un profil convergent de la première extrémité 11 vers la deuxième extrémité 12.
En d'autres termes, la surface S40 d'une section de la chambre de distribution 40 selon un plan de coupe transversal à l'axe longitudinal XX' diminue de la première extrémité 11 vers la deuxième extrémité 12 (figures 15A à 15E), avantageusement, la surface est nulle au niveau de la deuxième extrémité 12.
De manière équivalente, la surface S50 d'une section de la chambre de collecte 50 selon un plan de coupe transversal à l'axe longitudinal XX' augmente de la première extrémité 11 vers la deuxième extrémité 12, avantageusement, la surface est nulle au niveau de la première extrémité 11.
Cet agencement des chambres de distribution 40 et de collecte 50 permet de minimiser les pertes de charge liées à la circulation des gaz. Les inhomogénéités de débit dans l'espace annulaire 30 sont ainsi réduites.
La figure 16 représente un insert creux 20 susceptible d'être mis en œuvre selon une troisième variante de la présente invention. Cette troisième variante reprend pour l'essentiel les caractéristiques relatives à la première et à la deuxième variante.
L'insert 20 relatif à cette deuxième variante peut être fabriqué par usinage, par découpage, par électroérosion, par extrusion, entre autres.
En particulier, l'insert 20 comprend selon cette variante un corps principal 20a intercalé entre deux corps terminaux 20b, 20c, et assemblés au moyen d'un joint 20d. Les deux corps terminaux 20b, 20c, illustrés à la figure 16, comprennent une paroi cylindrique non perméable au gaz reproduisant la première section 21a décrite dans le cadre de la première variante, et comprend des ouvertures de distribution 42 (ou de collecte 52). Le réacteur tubulaire selon la présente invention est avantageusement mis en œuvre pour la synthèse du méthane, du méthanol, du diméthyléther ou encore pour mettre en œuvre la synthèse de Fisher-Tropsch.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier.

Claims

23 REVENDICATIONS
1. Réacteur tubulaire (1) à lit fixe qui s'étend, selon un axe longitudinal (XX'), entre une première extrémité (11) et une deuxième extrémité (12), le réacteur (1) comprenant un lit de poudre catalytique confiné dans un espace annulaire (30) délimité par une première paroi d'un tube creux (10) et une deuxième paroi (21) d'un insert creux (20), disposé dans le tube creux (10) et de manière coaxiale à ce dernier, l'insert creux (20) comprenant au moins une chambre de distribution (40) et au moins une chambre de collecte (50), séparées l'une de l'autre par une paroi séparatrice (60), et comprenant, respectivement, une ouverture d'admission (41) de gaz au niveau de la première extrémité (11) et une ouverture d'évacuation (51) de gaz au niveau de la deuxième extrémité (12), la deuxième paroi (21) comprenant au moins une ouverture distributrice (42) et au moins une ouverture collectrice (52), qui s'étendent sur une longueur (L), l'ouverture distributrice (42) permettant la distribution d'un gaz susceptible d'être admis par l'ouverture d'admission (41) de la chambre de distribution (40) vers l'espace annulaire (30), et l'ouverture collectrice (52) permettant la collecte du gaz distribué dans l'espace annulaire (30) par la chambre de collecte (50), caractérisé en ce que le réacteur (1) comporte au moins un élément filtrant (61) positionné au niveau de ladite au moins une ouverture collectrice (52) entre ladite au moins une chambre de collecte (50) et l'espace annulaire (30), ainsi qu'au niveau de ladite au moins une ouverture distributrice (42) entre ladite au moins une chambre de distribution (40) et l'espace annulaire (30), ledit au moins un élément filtrant (61) prévenant le passage de poudre catalytique depuis l'espace annulaire (30) respectivement vers ladite au moins une chambre de collecte (50) et ladite au moins une chambre de distribution (40), ledit au moins un élément filtrant (61) étant en appui contre la surface externe de la deuxième paroi (21) et recouvrant totalement ladite au moins une ouverture collectrice (52) et ladite au moins une ouverture distributrice (42) et/ou étant logé au moins partiellement à l'intérieur de ladite au moins une ouverture collectrice (52) et ladite au moins une ouverture distributrice (42).
2. Réacteur selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un élément filtrant (61) se présente au moins en partie sous la forme d'une ou plusieurs feuilles filtrantes (61) positionnées contre la surface externe de la deuxième paroi (21) de l'insert creux (20) et recouvrant totalement ladite au moins une ouverture collectrice (52) et ladite au moins une ouverture distributrice (42) par appui sur la surface externe de la deuxième paroi (21) de part et d'autre de celles-ci.
3. Réacteur selon la revendication 2, dans lequel la ou les feuilles filtrantes (61) comportent un tissu, un feutre, par exemple en fibres de verre, fibres métalliques, fibres de carbone, une grille métallique et/ou une tôle métallique microperforée.
4. Réacteur selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la ou les feuilles filtrantes (61) se présentent sous une forme au moins en partie cylindrique, notamment sous la forme d'une ou plusieurs portions de forme cylindrique, épousant la forme cylindrique de la surface externe de la deuxième paroi (21) de l'insert (20) et emmanchées sur l'insert (20).
5. Réacteur selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel la ou les feuilles filtrantes (61) sont solidarisées à l'insert (20) par soudure par points, par brasure et/ou par le biais d'au moins une ligature autour de l'insert (20) et de la ou des feuilles filtrantes (61), par exemple un ou des fils métalliques enroulés autour de ceux-ci.
6. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réacteur (1) comporte au moins un compartiment (80) au niveau de chacune desdites au moins une ouverture collectrice (52) et une ouverture distributrice (42), ledit au moins un élément filtrant (61) étant au moins en partie logé à l'intérieur dudit au moins un compartiment (80) et de ladite au moins une ouverture collectrice (52) et ladite au moins une ouverture distributrice (42).
7. Réacteur selon la revendication 6, dans lequel un élément filtrant (61) est introduit à l'intérieur de chaque compartiment (80), au contact de la ou des parois internes du compartiment (80).
8. Réacteur selon la revendication 6 ou 7, dans lequel chaque compartiment (80) comporte une ou plusieurs ouvertures (81) permettant la circulation des gaz.
9. Réacteur selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel un ou plusieurs compartiments (80) sont formés par le biais d'une modification locale, au niveau d'une ou plusieurs ouvertures collectrice (52) et distributrice (42), de la deuxième paroi (21) de l'insert (20).
10. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel un ou plusieurs compartiments (80) sont formés par le biais d'une membrane découpée (82) placée dans une ou plusieurs ouvertures collectrice (52) et distributrice (42).
11. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, dans lequel ledit au moins un élément filtrant (61) vient au contact du tube creux (10) de sorte à permettre un centrage de l'insert (20) par rapport au tube creux (10).
12. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, dans lequel le ou les compartiments (80) et l'insert (20) forment une pièce monobloc.
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2997374A (en) 1958-03-13 1961-08-22 California Research Corp Radial flow reactor
US3758279A (en) 1971-04-26 1973-09-11 Phillips Petroleum Co Radial flow reactor
US4374094A (en) 1981-10-29 1983-02-15 Chevron Research Company Method and apparatus for uniform flow through radial reactor centerpipes
EP0560157A1 (fr) 1992-03-12 1993-09-15 Bayer Ag Réacteurs à lit fixe avec lit de catalyseur court dans la direction d'écoulement
US20110165483A1 (en) * 2008-09-08 2011-07-07 Honda Motor Co., Ltd. Reformer
CN103990420A (zh) 2013-02-20 2014-08-20 上海融熠投资管理有限公司 列管式固定床反应器及其应用
EP3827895A1 (fr) 2019-11-28 2021-06-02 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Réacteur tubulaire à lit fixe
WO2022069817A1 (fr) * 2020-09-29 2022-04-07 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Reacteur tubulaire a lit fixe
WO2022069816A1 (fr) * 2020-09-29 2022-04-07 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Reacteur tubulaire a lit fixe

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2997374A (en) 1958-03-13 1961-08-22 California Research Corp Radial flow reactor
US3758279A (en) 1971-04-26 1973-09-11 Phillips Petroleum Co Radial flow reactor
US4374094A (en) 1981-10-29 1983-02-15 Chevron Research Company Method and apparatus for uniform flow through radial reactor centerpipes
EP0560157A1 (fr) 1992-03-12 1993-09-15 Bayer Ag Réacteurs à lit fixe avec lit de catalyseur court dans la direction d'écoulement
US20110165483A1 (en) * 2008-09-08 2011-07-07 Honda Motor Co., Ltd. Reformer
CN103990420A (zh) 2013-02-20 2014-08-20 上海融熠投资管理有限公司 列管式固定床反应器及其应用
EP3827895A1 (fr) 2019-11-28 2021-06-02 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Réacteur tubulaire à lit fixe
WO2022069817A1 (fr) * 2020-09-29 2022-04-07 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Reacteur tubulaire a lit fixe
WO2022069816A1 (fr) * 2020-09-29 2022-04-07 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Reacteur tubulaire a lit fixe

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