BE1012917A4 - Reacteur pour la realisation de reaction avec fort degagement de chaleur. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un réacteur pour la réalisation de réactions avec fort dégagement de chaleur comprenant des particules de catalyseur entre des parois de séparation refroidies. selon l'invention, les parois de séparation refroidies sont formées par des plaques de métal ou d'éléments de construction métalliques, ou pour le refroidissement sont disposées dans les plaques de métal/éléments de construction des cavités ou des interstices sous forme de canaux pour la réception et la conduction d'un milieu de refroidissement. Le réacteur peut etre utilisé pour la réalisation de réactions catalytiques fortement exothermes, par exemple pour l'hydrogénation sélective de l'acétylène en éthylène;
Description
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REACTEUR POUR LA REALISATION DE REACTION AVEC FORT
DEGAGEMENT DE CHALEUR L'invention concerne un réacteur, pour" ! a réalisation de réactions avec fort
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dégagement de chaleur, dans lequel, dans au moins un compartiment du réacteur, ? D c ins un conip sont disposées des particules de catalyseur entre des parois de séparation refroidies.
On connaît un tel réacteur de) a revue Zeitschrift Hydrocarbon Processing, Mars 1997, page 34. Il s'agit d'un réacteur tubulaire comportant dans les tubes des particules de catalyseur. Les tubes sont refroidis sur le côté enveloppe du réacteur au moyen d'eau bouillante ou d'autres porteurs de chaleur appropriés.
La répartition de l'espace de réaction et des particules de catalyseur sur plusieurs tubes assure qu'en cas d'une panne de fonctionnement. une réaction auto
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accélératrice provoquée par un surchauffement local soit limitée à ce tube de réaction -iccélératrice provoquée par un su 1 et ne s'étende pas sur l'ensemble du réacteur. Cette construction de réacteur s'est avérée satisfaisante mais présente également plusieurs inconvénients.
- L'enveloppe du réacteur doit être adaptée aux pressions régnant dans le milieu de refroidissement qui, dans la pratique, sont des pressions souvent très élevées. De ce fait, l'enveloppe est très épaisse et donc coûteuse, difficile à transporter et le montage sur site est exclus.
- Les plateaux de support présentent pour des diamètres importants une épaisseur élevée et sont ainsi coûteux et exposés à des risques dus à des gradients de température.
- Le nombre élevé de tubes de réaction rend difficile leur soudure au plateau de support épais et nécessite de grands efforts.
- Le nombre élevé de tubes de réaction rend leur remplissage difficile et exigeant de grands efforts. En particulier, il faut assurer un remplissage régulier avec une perte de charge égale dans les différents tubes afin d'éviter qu'un tube de réaction ne doit surchauffé en raison de la grande perte de charge.
- On utilise le plus souvent de l'acier C pour le réacteur, du fait de son poids élevé, bien que la corrosion soit ainsi inévitable. Cependant, la rouille a dans beaucoup de réactions un effet de poison pour le catalyseur. Lors de la vidange du catalyseur, le réacteur doit donc être nettoyé au sable, ce qui, compte tenu du grand nombre de tubes de réactions requiert un effort considérable.
- Seuls des réacteurs verticaux sont réalisables.
- La surface de refroidissement par volume de catalyseur ne peut être choisie que dans des limites étroites.
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Le but de l'invention est donc une construction simplifiée du réacteur et une plus grand sécurité de fonctionnement lors de pannes tout en évitant les inconvé- nients mentionnés.
Ce but est atteint conformément à l'invention par un réacteur présentant les caractéristiques de la revendication 1 Des modes de réalisation de l'invention font l'objet de revendications dépendantes.
L'invention est caractérisée en ce que, dans un tel réacteur, les parois de séparation sont formées d'éléments de construction métalliques. et en ce que, pour le refroidissement sont disposés dans les plaques de métal ou éléments de construction métalliques, des cavités ou des interstices sous forme de canaux destinés à recevoir et à conduire un milieu de refroidissement.
Grâce aux compartiments de réacteur séparés réalisés par les parois de sépara-
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tion refroidies. on évite ta surchauffe d'espaces de réaction voisins, même lors des isiiis, meme lors des pannes de fonctionnement mentionnées. Les plaques de métal ou éléments de construction métalliques conformes à l'invention sont disponibles dans le commerce sous forme de panneaux pouvant être refroidis ou chauffés et permettent des solutions avantageuses pour l'aménagement du réacteur.
Dans un mode de réalisation du réacteur selon l'invention, on assemble plusieurs plaques de métal, de préférence verticales, à distance l'une par rapport à l'autre, en un paquet de plaques de métal, lesquelles forment un espace libre dans lequel sont versées les particules de catalyseur. Il n'y a pas besoin de plateau de support et les espaces de réacteur entre les plaques sont à remplir de manière similaire à celle du remplissage d'un lit de refroidissement. Ceci constitue une amélioration considérable par rapport à un réacteur selon l'état de la technique.
On forme avec avantage les paquets de plaques de métal à partir de plaques planes, de préférence disposées parallèlement, ou de plaques à courbures cylindriques, de préférence de façon concentrique. De telles plaques et aussi paquets de plaques, sont disponibles dans le commerce à un prix avantageux.
Selon un mode de réalisation préféré du réacteur selon l'invention, on dispose plusieurs paquets de plaques de métal les uns à côté des autres dans l'enveloppe du réacteur, de sorte qu'ils forment un module de paquets de plaques dans lequel les paquets de plaques sont traversés de manière parallèle par le gaz de départ. Ceci est en particulier relativement aisé à réaliser dans des réacteurs horizontaux. Ainsi, on déplace les limites de possibilités de construction vers des unités considérablement plus grandes et on permet, lors de l'utilisation du réacteur selon l'invention, de faibles perte de charge.
Il est également possible que plusieurs modules soient traversés par le gaz de départ, qu'ils soient disposés dans le même compartiment de réacteur, de préférence
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superposés, ou qu'ils soient disposés dans plusieurs compartiments du réacteur. En combinaison avec la possibilité de pouvoir choisir entre les compartiments du réac- teur verticaux ou horizontaux, le réacteur peut alors être adapté de façon optimale à l'espace disponible et à la perte de charge admissible dans le réacteur.
D'autres avantages du réacteur selon l'invention apparaissent de la combinaison des caractéristiques de l'invention avec celtes de leurs modes de réalisation avantageux : - L'enveloppe du réacteur ne doit être adaptée qu'à la pression du gaz de réacteur et non par exemple à la pression plus élevée de la vapeur créée par te refroidis- semant avec l'eau d'alimentation en voie de vaporisation.
- Le réacteur ne nécessite pas de plateau de support et est donc considérablement plus léger qu'un réacteur selon l'état de la technique. Par ailleurs, les plaques de métal peuvent être en inox, de sorte que les problèmes mentionnés ci-dessus lors de l'utilisation d'acier C soient éliminés.
- La surface de refroidissement par volume de catalyseur peut être choisie libre- ment dans des limites très larges.
- Comme les réacteurs selon l'invention sont beaucoup plus légers pour une puissance égale, le transport, le montage et les fondaments sont moins chers que pour les réacteurs selon l'état de la technique.
- Les limites de possibilités de construction et les considérations de sécurité ne limitent pas la capacité de production pouvant être installées sur un site.
Lors d'une utilisation avantageuse du réacteur selon l'invention, on réalise entre les parois de séparation refroidies du réacteur une réaction catalytique exotherme avec fort dégagement de chaleur.
Le réacteur peut être réutilisé par exemple pour la réaction d'acétylène en éthylène. Lors de cette utilisation, le réacteur selon l'invention permet de simplifier le procédé comme décrit ci-dessous et de rendre en même temps le réacteur refroidi plus simple, plus sûr et moins cher, ainsi que de déplacer les limites de possibilités de constructions de manière notable en direction d'unités plus grandes.
Lors de l'utilisation du réacteur selon l'invention, les espaces de réaction dans le réacteur sont limités par des parois de séparation refroidies de manière très simple, et le refroidissement est effectué par un fluide s'écoulant à l'intérieur des parois de séparation. Ceci est obtenu conformément à l'invention en ce que les parois de séparation refroidies du réacteur sont formées de plaques de métal et que sont disposées dans les plaques de métal des cavités sous forme de canaux pour recevoir et'conduire au moins un fluide.
Grâce aux parois de séparation, on forme des espaces de réacteur pour la réaction d'acétylène en éthylène. S'il se produisait réellement une surréaction dans l'un de
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ces espaces de réacteur, cette surréaction reste limitée à ce petit espace et ne s'étend pas sur l'ensemble du réacteur. Cela augmente très notablement la sécurité de production et il devient alors seulement acceptable de construire des unités de réac- teurs notablement plus grandes qu'il n'était possible selon l'état de la technique.
Comme les surfaces en plaques de métal sont peu coûteuses à fabriquer, on peut également mettre à disposition des surfaces d'échange thermique additionnelles, sans augmenter considérablement le coût. En particulier, on peut prévoir à la sortie du gaz de réacteur au lieu du catalyseur un matériau inerte de façon à ce qu'il n'y ait, à cet endroit du réacteur, plus lieu de réaction mais bien un refroidissement par les plaques de métal. On assure ainsi qu'un gaz chaud d'une surréaction ne peut pas chauffer le flux de gaz produit pour y déclencher également une surréaction.
Comme les plaques ne nécessitent que peu de traitement. le choix du matériau est peu limité. En particulier on peut réaliser plus facilement des adjuvants de corrosion que pour les tubes. En particulier des matériaux de qualité élevée et coûteux, tels que par exemple Hastelloy, sont plus facilement disponibles sur le marché sous forme de plaques que sous forme de tube. La faible perte de charge permet en outre dans le réacteur selon l'invention, de traverser le lit de catalyseur avec une vitesse spatiale plus élevée. Ainsi, la sélectivité du catalyseur augmente de manière à ce que la distance de sécurité par rapport à une surréaction indésirée augmente également.
Cependant. le réacteur selon l'invention n'est pas limité à cette utilisation.
D'autres utilisations peuvent être déduites des propriétés de réaction de manière similaire. En particulier. on peut réaliser d'autres réactions avec fort dégagement de chaleur dans ce réacteur. tel que par exemple l'epoxydation d'oléfines. la conversion de CO pour l'obtention d'hydrogène, l'oxydation directe de H2S en soufre élémentaire, la réaction de Claus, l'hydrogénation d'hydrocarbures, en particulier l'hydrogé- nation sélective d'hydrocarbures, telle que l'hydrogénation de C2H2 en C2H-I, l'oxydation de SO, en S03. la synthèse de méthanol, la synthèse de méthane, la synthèse Fischer-Tropsch. et la synthèse de NH3. En principe, toutefois. le réacteur est également approprié pour réaliser des réactions endothermes.
Un exemple particulier de ce type est l'utilisation du réacteur dans une installation de Claus, dont on fait fonctionner le dernier réacteur en dessous du point de rosée (fonctionnement SDP). Comme décrit dans EP 0 283 793. on échange cycliquement deux réacteurs dans ce procédé et régénère ainsi le réacteur chargé de soufre. Au début de cette régénération, il faut introduire une grande quantité de chaleur afin d'évaporer le soufre déposé sur le catalyseur. Le réacteur selon l'invention peut soutenir ce processus en ce qu'un milieu de chauffe, par exemple de l'eau d'alimentation de chaudière réchauffée est conduite dans les plaques de métal pour la création de vapeur de pression moyenne ou en ce
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que le réacteur soit aussi réchauffé rapidement et le soufre éliminé.
En fonction- nement normal, le réacteur s'échauffe encore davantage. Lorsque la température de la vapeur de pression moyenne est atteinte, l'action de l'eau d'alimentation de la chaudière change de celle du chauffage en celle du refroidissement, c'est-à-dire que l'on crée par évaporation une vapeur de pression moyenne qui refroidit le réacteur.
L'invention est expliquée de manière plus détaillée au moyen d'une figure illustrant un mode de réalisation.
La figure montre de manière schématique une réalisation du réacteur selon l'invention, et son utilisation dans une installation pour l'hydrogénation sélective de l'acétylène en éthylène.
La figure montre un réacteur 2 sous forme d'un récipient 10 horizontal dans lequel sont disposés deux modules 6,8 de paquets de plaques 7. Il est indiqué que les paquets 7 sont constitués de plaques parallèles refroidies dont les bords sont repré-
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sentés dans la figure par une ligne. Dans leur structure, les plaques refroidies peuvent i tes peuvent être similaires à des radiateurs pour habitations ou bureaux. Le remplissage de catalyseur entre les plaques n'est pas représenté dans la figure.
En fonctionnement. est amené par le tube 1 un gaz de départ au réacteur 2, lequel peut être refroidi par du méthanol 3 liquide, de façon à ce que l'on obtienne du méthanol sous forme de vapeur qui s'écoule ensuite par le tube 4. Le gaz 1 mis en oeuvre, par exemple l'éthylène avec de faibles quantités d'acétylène et avec de l'hydrogène, en quantité stoechiométrique vis-à-vis de l'hydrogénation d'acétylène en l'éthylène. est réchauffé par l'intermédiaire d'un porteur de calories 5 qui peut être également du méthanol. dans un module de préchauffage 6 comportant quatre paquets de plaques 7. à une température de déclenchement de la réaction exothermique catalysée de l'acétylène en éthylène, puis est amené dans un module de réaction 8 subséquent.
où l'acétylène mis en oeuvre est hydrogéné.
L'acétylène gazeux ainsi hydrogéné quitte le module de réaction du réacteur 2 par le tube 9 sous forme d'éthylène produit présentant le degré de pureté souhaité ou l'éthylène est conduit vers une installation de purification non représentée. Le module de préchauffage 6 contient des particules inertes et le module de réaction 8 des particules de catalyseur entre les plaques de métal.
Une utilisation avantageuse du réacteur selon l'invention est détaillée à l'aide d'un exemple.
Exemple 1 : utilisation dans des installation d'éthylène pour l'hydrogénation d'acétylène.
Pour l'hydrogénation de C2H2 on utilise jusqu'alors des réacteurs dans lesquels des échangeurs sous forme de tubes droits contenant du catalyseur assurent le refroidissement nécessaire. De tels réacteurs présentent pour une installation de synthèse
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d'éthylène d'une capacité d'environ 600 000 tonnes annuelles les données caractéris- tiques suivantes :
Dimensions : 2 réacteurs de 4, 5 m de diamètre x ! 3, 8 . dont 1 réacteur comme réserve à 100%.
Poids : Chacun environ 138 tonnes
Matériaux : acier C
Les réacteurs se ! on l'invention, pour une instaHation ayant un rendement de production de 600 000 tonnes par an, présentent par exemple les données suivantes : Dimensions : 2 réacteurs de diamètre 3, 8 111 x 16 m dont un réacteur comme réserve à 100% Poids : environ 100 tonnes, dont 80 tonnes d'acier C, environ d'inox Matériaux : enveloppe acier C, plaques inox
La tendance vers des installations d'éthylène toujours plus grandes subsiste. On tend vers des quantités de production de 1 million de tonnes annuelles, le réacteur conventionnel pour l'hydrogénation de C2H2 atteint cependant la limite de possibilités de construction à environ 600 000 tonnes annuelles de capacité de production.
Lorsqu'alors on doit passer à plusieurs tubes, il y a des coûts supplémentaires considérables parce que. hormis les réacteurs parallèles eux-mêmes, il faut également
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prévoir des tubes et des appareils de réglage et de commandes pour le remplissage prévoir des tubes et des appareils de ré±, régulier de tous les réacteurs. Dans le réacteur à échangeur de plaques, le volume disponible est utilisé de manière plus efficace, de sorte que l'on peut placer environ 40% de plus de volume de catalyseur refroidi dans le réacteur à échange par plaques que dans un réacteur conventionnel.
Ainsi, on peut réaliser environ 40% de plus de rendement dans un réacteur à échange par plaques en ne tenant pas compte de la fabrication sur site possible en principe, donc au lieu de 600 000 tonnes annuelles d'éthylène, environ 840 000 tonnes annuelles. Lors de la fabrication sur site, on peut également réaliser une synthèse d'éthylène encore plus importante avec un seul réacteur pour l'hydrogénation de C2H2.
Un tel réacteur classique requiert un matériau d'un poids d'environ 140 tonnes.
Les pièces les plus lourdes sont alors les plateaux de support qui pèsent chacun plus de 20 tonnes. Ces plateaux de support ne sont plus nécessaires pour le réacteur selon l'invention, de sorte qu'on économise déjà par cela du matériau et du poids. Un réacteur selon l'invention pour la synthèse d'éthylène de 600 000 t annuelles ne pèse environ que 80 t. En outre, il y a d'autres avantages par une perte de charge réduite dans
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le trajet du gaz et une période non productive pour l'échange du catalyseur plus courte.
Claims (17)
- REVENDICATIONS 1. - Réacteur pour la réalisation de réactions avec fort dégagement de chaleur, dans lequel, dans au moins une enveloppe de réacteur, sont disposées entre les parois de séparation refroidies des particules de catalyseur, caractérisé en ce que les parois de séparation refroidies sont formées de plaques de métal ou d'éléments de construction métalliques et en ce que pour le refroidissement, sont disposées dans les plaques de métal/éléments de construction métalliques, des cavités ou interstices sous forme de canaux destinés à recevoir et conduire un milieu de refroidissement.
- 2, - Réacteur selon la revendication I, caractérisé en ce que plusieurs plaques de métal sont respectivement assemblées à distance les unes par rapport aux autres, et de préférence perpendiculairement à un paquet de plaques de métal, et forment ainsi un ou plusieurs espaces libres dans lequel ou lesquels sont versées les particules de catalyseur.
- 3. - Réacteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les paquets de plaques de métal sont formés de plaques planes, de préférence disposées en parallèle, ou de plaques courbées. de préférence disposées sous forme de cylindre concentrique.
- 4. - Réacteur selon la revendication 2 ou 3. caractérisé en ce que plusieurs paquets de plaques de métal sont disposés les unes à côté des autres dans le compartiment du réacteur, de façon à ce qu'ils forment un module de paquets de plaques dans lequel les paquets de plaques sont traversés en parallèle par le gaz de départ.
- 5. - Réacteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que plusieurs modules sont traversés successivement par le gaz de départ et sont soit disposés dans le même compartiment du réacteur. de préférence superposés, ou soit disposés dans plusieurs compartiments du réacteur.
- 6.-Utilisation du réacteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que est réalisée entre les parois de séparation refroidies du réacteur une réaction catalytique avec fort dégagement de chaleur.
- 7.-Utilisation selon la revendication 6 pour la conversion de CO. <Desc/Clms Page number 9>
- 8. - Utilisation selon la revendication 6 pour l'epoxydation d'oléfines pour la fabrication d'oxydes d'oléfines.
- 9. - Utilisation selon la revendication-6 pour l'hydrogénation sélective d'hydrocarbure, par exemple de C2H2 en C2H. j.
- 10.-Utilisation selon la revendication 6 pour l'hydrogénation non sélective d'hydrocarbure. par exemple de C2H.) en C2I6.
- 11. - Utilisation selon la revendication 6 pour la synthèse de méthane.
- 12.-Utilisation selon la revendication 6 pour la synthèse de méthanol.
- 13.- Utilisation selon la revendication 6 pour la réaction de Claus.
- 14.-Utilisation selon la revendication 6 pour l'oxydation directe de H2S en soufre élémentaire.
- 15.- Utilisation selon la revendication 6 pour la synthèse de Fischer-Tropsch.
- 16.-Utilisation selon la revendication 6 pour l'oxydation de SO, en S03.
- 17. Utilisation selon la revendication 6 pour la synthèse de NH3.
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