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FR2924624A1 - Reacteur et procede pour les reactions endothermiques en phase gazeuse sur catalyseur solide - Google Patents

Reacteur et procede pour les reactions endothermiques en phase gazeuse sur catalyseur solide Download PDF

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FR2924624A1
FR2924624A1 FR0708560A FR0708560A FR2924624A1 FR 2924624 A1 FR2924624 A1 FR 2924624A1 FR 0708560 A FR0708560 A FR 0708560A FR 0708560 A FR0708560 A FR 0708560A FR 2924624 A1 FR2924624 A1 FR 2924624A1
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Abstract

L'invention concerne un réacteur de reformage catalytique ou de déshydrogénation d'hydrocarbures présentant une forme cylindrique le long d'un axe vertical, un fond supérieur et un fond inférieur comprenant au moins deux zones annulaires centrées sur l'axe verticale, ces deux zones annulaires étant une zone dite zone catalytique et une zone dite zone d'échange. Des panneaux hermétiques verticaux divisent le réacteur en secteurs, lesdits secteurs comportant chacun au moins une section d'échange et au moins une section catalytique, l'ensemble desdites sections d'échange formant la zone d'échange et l'ensemble desdites sections catalytiques formant la zone catalytique.L'invention concerné aussi le procédé mettant en oeuvre le réacteur selon l'invention.

Description

2924624 Domaine de l'invention :
L'invention concerne un réacteur et un procédé mettant en oeuvre ce réacteur pour les réactions endothermiques en phase gazeuse sur catalyseur 5 solide. Ce réacteur s'adapte particulièrement aux réactions de reformage catalytique et aux réactions de déshydrogénation d'hydrocarbures. La présente invention concerne un réacteur permettant de récupérer la chaleur du gaz de combustion sous pression et d'effectuer les réactions. Le procédé utilise du gaz de combustion sous pression pour assurer la 10 chauffe du réacteur par échange indirect de chaleur à l'intérieur du réacteur. Art antérieur :
15 II est habituel de traiter les coupes d'essence lourde (80 ù 180°C) comportant principalement les hydrocarbures entre C6 et C10 provenant de la distillation initiale du pétrole pour amener leur indice d'octane à une valeur élevée pour leur utilisation dans un moteur de voiture automobile. Le procédé de reformage catalytique permet d'effectuer cette opération. Ce procédé 20 consiste à passer la coupe essence en présence d'hydrogène sur un catalyseur comportant des métaux précieux à une température élevée (voisine de 500°C). Les réactions de reformage catalytique consistent principalement à déshydrogéner les naphtènes et les paraffines présentes dans la charge pour les transformer en aromatiques qui ont un indice d'octane élevé, et à isomériser 25 les paraffines restantes pour augmenter également l'indice d'octane de l'essence. Une première réaction indésirable est le craquage qui produit des hydrocarbures légers, tels que du méthane, de l'éthane, du propane et du butane et qui diminue le rendement de l'opération. Une seconde réaction indésirable est le cokage du catalyseur, qui diminue l'activité du catalyseur et 30 oblige à sa régénération périodique par brûlage du coke pour rétablir son activité. Le craquage est d'autant plus important que la pression est élevée. Ainsi, les rendements sont meilleurs à faible pression. Cependant, le cokage est d'autant plus élevé que la pression partielle d'hydrogène est faible. 2 2924624 Les unités anciennes opéraient à forte pression (15 à 30 bars environ), avec un fort taux de recyclage d'hydrogène, avec des rendements médiocres, et permettaient d'opérer environ 11 mois avant qu'il ne soit nécessaire de régénérer le catalyseur.
Les unités à régénération continue du catalyseur permettent de régénérer la totalité du catalyseur en quelques jours, ce qui permet une opération à pression faible (3 à 5 bars environ), donc des rendements plus élevés. Le catalyseur circule continûment dans les réacteurs, qui sont alors de type radial, et est envoyé dans une section de régénération afin d'être régénéré, avant d'être ramené dans le premier réacteur. Les réactions de déshydrogénation sont très endothermiques, et les réactions s'arrêtent lorsque la température est trop faible. Les procédés actuels comportent généralement trois ou quatre réacteurs et autant de fours en série. Chaque four est suivi d'un réacteur. Du fait des températures élevées, les fours ont un faible rendement et il est habituel de produire de la vapeur pour améliorer le rendement global du four. II est également habituel d'utiliser cette vapeur pour actionner une turbine entraînant le compresseur de recyclage et le compresseur d'exportation d'hydrogène. Ces dernières années, il est plus courant d'utiliser un moteur électrique à vitesse variable pour les compresseurs, et l'utilisation de vapeur est moindre dans les raffineries modernes, qui privilégient pour des raisons économiques l'utilisation de l'électricité. De ce fait, l'utilisation de fours de taille considérable générant de la vapeur avec les problèmes associés d'opération et de maintenance est de nos jours plutôt un inconvénient pour le procédé. D'autres procédés de déshydrogénation d'hydrocarbures tel que la déshydrogénation des paraffines longues utilisent un procédé identique au reformage catalytique et sont concernés par la même problématique. Description sommaire de l'invention L'invention concerne un réacteur de reformage catalytique ou de déshydrogénation d'hydrocarbures présentant une forme cylindrique le long d'un axe vertical, un fond supérieur et un fond inférieur comprenant au moins deux zones annulaires centrées sur l'axe verticale, ces deux zones annulaires 3 2924624 étant une zone dite zone catalytique et une zone dite zone d'échange. Des panneaux hermétiques verticaux divisent le réacteur en secteurs, lesdits secteurs comportant chacun au moins une section d'échange et au moins une section catalytique, l'ensemble desdites sections d'échange formant la zone 5 d'échange et l'ensemble desdites sections catalytiques formant la zone catalytique. L'invention concerne aussi le procédé mettant en oeuvre le réacteur selon l'invention.
10 La présente invention utilise généralement pour le chauffage du réacteur, de préférence du réacteur de reformage, des gaz de combustion sous pression qui permettent également de produire de l'électricité pour l'unité de reformage catalytique, et éventuellement pour d'autres unités. Un seul réacteur est généralement utilisé, avec des internes spéciaux permettant l'alternance de 15 sections de chauffe par échange avec le gaz de combustion et des sections catalytiques adiabatiques, le catalyseur pouvant circuler par gravité dans le réacteur. L'empreinte globale au sol de l'unité, le nombre d'équipement et le coût de la section réactionnelle sont ainsi diminués. Si la taille du réacteur est trop importante, dans le cas de très grandes 20 capacités, plusieurs réacteurs de ce type peuvent être présents, préférentiellement en parallèle. Chaque réacteur est alors généralement alimenté par un compresseur d'air dédié et un brûleur dédié.
Description détaillée de l'invention Dans tout le texte, 1 bar équivaut à 0,1 MPa.
L'invention concerne un réacteur permettant la mise en oeuvre d'une réaction endothermique en phase gazeuse présentant une forme cylindrique le 30 long d'un axe vertical et comprenant: -au moins deux zones annulaires centrées sur l'axe verticale: une zone catalytique et une zone d'échange -des panneaux hermétiques (65) verticaux situés le long des rayons du réacteur cylindrique divisent le réacteur en secteurs, lesdits secteurs 25 4 2924624 comportant chacun au moins une section d'échange (61) et au moins une section catalytique (62), l'ensemble desdites sections d'échange formant la zone d'échange (204) et l'ensemble desdites sections catalytiques formant la zone catalytique (202). 5 Dans le cadre de l'invention, on nomme premier secteur, le secteur dans lequel a lieu l'alimentation du réacteur en mélange réactionnel. Les autres secteurs sont nommés deuxième secteur, troisième secteur jusqu'au dernier secteur en respectant l'ordre de circulation du mélange réactionnel dans le 10 réacteur. Par exemple dans le cas de 4 secteurs, le premier secteur est celui dans lequel a lieu l'alimentation en mélange réactionnel du réacteur. Le mélange réactionnel circule alors successivement dans ce premier secteur puis dans le second secteur puis dans le troisième secteur puis dans le dernier secteur avant d'être évacué hors du réacteur. 15 Selon un mode de réalisation préféré, la zone catalytique puis la zone d'échange, se succèdent du bord vers le centre du réacteur.
Selon un autre mode de réalisation préféré, au moins quatre zones 20 annulaires centrées sur l'axe verticale se succèdent du bord vers le centre du réacteur, une première zone (201) dite zone d'alimentation, une deuxième zone (202) dite zone catalytique, une troisième zone (203) dite zone de collecte et une quatrième zone (204) dite zone d'échange. Selon cette variante, les panneaux hermétiques (65) verticaux divisant le réacteur en secteurs sont fixés 25 le long d'une zone cylindrique centrale (205). Généralement, les secteurs comportent chacun une section d'échange (61), une section catalytique (62), une section, d'alimentation (161) et une section de collecte (162), l'ensemble desdites sections d'échanges formant la zone d'échange (204), l'ensemble desdites sections catalytiques formant la zone catalytique (202), l'ensemble 30 desdites sections d'alimentation formant la zone d'alimentation (201) et l'ensemble desdits secteurs de collecte formant la zone de collecte (203). Généralement, le réacteur comprend un fond supérieur et un fond inférieur. Au moins une tubulure (163) par section traverse généralement le fond supérieur du réacteur pour alimenter les sections catalytiques en catalyseur et au moins 5 2924624 une tubulure (263) par section traverse le fond inférieur du réacteur pour évacuer le catalyseur des sections catalytiques. Généralement, un conduit d'alimentation (17) traversant le fond supérieur du réacteur permet d'alimenter un secteur, nommé le premier secteur, en mélange réactionnel, un conduit 5 d'évacuation (18) traversant le fond supérieur du réacteur permet d'évacuer le dernier secteur du réacteur en mélange réactionnel. Un conduit (67) qui relie la zone de collecte du dernier secteur au conduit (18) afin d'évacuer le mélange réactionnel est généralement présent. Selon cette même variante, un conduit d'entrée (6) traversant le fond inférieur du réacteur est relié à des conduits (70) 10 amenant à des chambres tubulaires (71). Lesdites chambres tubulaires distribuent du gaz de combustion au moyen de plaques tubulaires (69) par le bas du réacteur dans chaque section d'échange. Des chambres tubulaires (72) permettent de collecter le gaz de combustion en haut de chaque section d'échange, puis des conduits (73) munis de soufflets de dilatation (74) 15 permettent d'évacuer le gaz de combustion vers le conduit de sortie (7) qui traverse le fond supérieur du réacteur.
Chaque section d'échange est généralement constituée d'échangeurs tubulaires ou d'échangeurs à plaques. Chaque section d'échange présente soit 20 une surface identique soit la surface d'échange augmente du premier à la dernière section d'échange.
Chaque section catalytique est généralement formée par deux grilles métalliques concentriques, de préférence de type "grilles Johnson". Toutes les 25 sections catalytiques présentent généralement la même dimension ou la dimension des sections catalytiques augmente du premier au dernier secteur.
Les panneaux hermétiques (65) verticaux divisent généralement le réacteur en 3, 4, 6 ou 8 secteurs, de préférence en 4 ou 6 secteurs. Selon un mode de réalisation très préféré, un conduit (64) relie la section de collecte de chaque secteur, à l'exception du dernier secteur, à la section d'échange du secteur suivant. 30 6 2924624 L'invention concerne aussi le procédé de mise en oeuvre d'une réaction de reformage catalytique ou de déshydrogénation d'hydrocarbures dans un réacteur selon l'invention.
5 L'invention concerne aussi le procédé de mise en oeuvre d'une réaction endothermique en phase gazeuse de reformage catalytique ou de déshydrogénation d'hydrocarbures sur catalyseur solide dans un réacteur selon le mode de réalisation très préféré dans lequel le mélange réactionnel entre dans le réacteur via le conduit (17), circule de haut en bas dans la première 10 section d'échange (61). Ledit mélange réactionnel passe alors sous la première section catalytique (62) entre les tubulures (263) de descente du catalyseur, traverse ensuite radialement la première section catalytique (62) en passant de la zone d'alimentation (201) à la zone de collecte (203) du réacteur, passe à la section d'échange du deuxième secteur par la conduite (64). Enfin, le mélange 15 réactionnel circule successivement et en alternance dans les sections d'échanges suivantes et les sections catalytiques suivantes.
Le catalyseur circule généralement de haut en bas à la même vitesse dans toutes les sections catalytiques. Le catalyseur peut aussi circuler de haut 20 en bas à une vitesse de plus en plus élevée de la première à la dernière section catalytique.
L'invention concerne aussi le procédé dans lequel le gaz de combustion sous pression assure le chauffage du mélange réactionnel par un échange 25 indirect de chaleur. Selon une première variante de production du gaz de combustion, le gaz de combustion alimentant le réacteur (60) via le conduit (6) vient du chauffage d'air sous pression atmosphérique circulant via la ligne (1) vers un compresseur d'air (2) puis via la ligne (3) vers une chambre de combustion (4) dans laquelle 30 le brûlage d'un gaz combustible circulant via (5) permet de porter le gaz de combustion à une température comprise entre 600°C et 800°C et préférentiellement entre 650°C et 750°C. Selon une seconde variante de production du gaz de combustion, le gaz de combustion alimentant le réacteur (60) via le conduit (6) vient du chauffage 7 2924624 d'air sous pression atmosphérique circulant via la ligne (1) vers un compresseur d'air (2) puis via la ligne (3) vers une chambre de combustion (4) dans laquelle le brûlage d'un gaz combustible circulant via 5 permet de chauffer l'air de combustion qui passe alors par une turbine d'expansion (12) qui est sur le 5 même arbre que le compresseur d'air et qui fournit la puissance nécessaire à la compression, le gaz de combustion sortant de la turbine d'expansion (12) est à une pression comprise entre 0,2 et 0,45 MPa, et à une température comprise entre 600 et 800°C, et préférentiellement entre 650 et 750°C.
10 Selon chacune des deux variantes de production du gaz de combustion, le gaz de combustion sortant du réacteur via le conduit 7 peut être réchauffé dans une chambre de combustion (8) avant d'être envoyé dans une turbine de détente (10) pour produire de l'électricité.
15 Description des fiqures: La figure 1 décrit une des manières de fournir de la chaleur au réacteur. De l'air atmosphérique est amené via la ligne (1) au compresseur d'air (2). L'air est comprimé à une pression voisine de 4 bars absolus (0,4 MPa) et est 20 ensuite envoyé via la ligne (3) dans une chambre de combustion (4). Un gaz combustible est amené via la ligne (5) afin d'être brûlé dans la chambre de combustion (4). L'air appauvri et chauffé par la combustion à une température voisine de 700°C est envoyé via la ligne (6) dans le réacteur (60). Le mélange réactionnel entre via la ligne (17) et sort via la ligne (18). Le 25 gaz de combustion se refroidit par échange avec le mélange réactionnel subissant une réaction endothermique de reformage catalytique.
A la sortie du réacteur, le gaz refroidi est envoyé via la ligne (7) vers une deuxième chambre de combustion (8), où il est réchauffé par combustion du 30 gaz combustible amené via la ligne (9). A la sortie de la chambre de combustion, le gaz chaud est envoyé à une température voisine de 750°C dans une turbine de détente (10) qui entraîne un alternateur (11) pour produire de l'électricité. 8 2924624 La figure 2 décrit une manière alternative de fournir la chaleur au réacteur (60). De l'air atmosphérique est amené via la ligne (1) au compresseur d'air (2). L'air comprimé à une pression voisine de 20 bars est ensuite envoyé via la ligne (3) dans la chambre de combustion (4). Un gaz combustible est 5 amené via la ligne (5) pour être brûlé dans la chambre de combustion (4). L'air appauvri et chauffé par la combustion à une température voisine de 1300°C est envoyé dans une turbine de détente (12) qui entraîne le compresseur d'air (2). Le gaz à la sortie de la turbine est aux alentours de 3 bars et à une température voisine de 700°C. Il est envoyé via la ligne (6) dans le réacteur 10 (60). Le mélange réactionnel entre via la ligne (17) et sort via la ligne (18). Le gaz de combustion se refroidit par échange avec le mélange réactionnel subissant une réaction endothermique de reformage catalytique. A la sortie du réacteur, le gaz refroidi est envoyé via la ligne (7) vers une 15 deuxième chambre de combustion (8), où il est réchauffé par combustion du gaz combustible amené via la ligne (9). A la sortie de la chambre de combustion, le gaz chaud est envoyé à une température voisine de 750°C dans une turbine de détente (10) qui entraîne un alternateur (11) pour produire de l'électricité. 20 La figure 3 décrit une variante de la figure 1 dans laquelle on récupère de la chaleur sur les gaz chauds circulant via la ligne (40) en sortie de la turbine (10). L'échangeur (41) permet de récupérer la chaleur soit: -par production de vapeur, qui peut être utilisée dans la raffinerie ou pour 25 produire de l'électricité, -soit par chauffage d'un fluide caloporteur (huile chaude), qui peut être utilisé par exemple pour permettre de rebouillir les colonnes du procédé. Le gaz effluent de l'échangeur (41) circule via la ligne (42). Cette variante est bien entendu possible aussi de la même façon dans le 30 cas de la figure 2 (non représenté).
La figure 4 représente la section réactionnelle d'un reformage catalytique suivant l'invention. 9 2924624 Le gaz de combustion entre via la ligne (6) et sort via la ligne (7) du réacteur (60). La charge arrive via la ligne (14) à la pompe de charge (15). La charge au refoulement de la pompe est envoyée via la ligne (16) à l'échangeur de 5 chaleur (19), qui est de préférence du type Packinox. Le gaz de recyclage qui circule via la ligne (26) est envoyé également à cet échangeur (19), pour être mélangé à la charge circulant via la ligne (16) dans l'échangeur et chauffé à une température voisine de 440°C par échange avec le mélange réactionnelle sortant du réacteur (60) via la ligne (18). A la 10 sortie de l'échangeur de chaleur (19), le mélange réactionnel est envoyé dans le réacteur (60) via la ligne (17). Le mélange réactionnel sortant du réacteur via la ligne (18) est aux alentours de 490°C et est envoyée vers le haut de l'échangeur de chaleur (19), où il est refroidi aux alentours de 100°C. A la sortie de l'échangeur de chaleur (19), l'effluent est envoyé via la ligne (20) vers un 15 échangeur de chaleur (21), où il est refroidi par échange de chaleur avec de l'air ou de l'eau de refroidissement. A la sortie de l'échangeur (21), l'effluent refroidi et partiellement condensé est envoyé via la ligne (22) vers le ballon séparateur (23). Le liquide du ballon est soutiré via la ligne (28) vers une section de stabilisation. La phase gazeuse du ballon séparateur (24), 20 constituée principalement d'hydrogène, est utilisée en partie pour constituer un recyclage gazeux, comprimé par le compresseur (25) puis circulant via la ligne (26), le reste étant envoyé vers une section de purification via la ligne (27).
Les figures 5, 6, 7 et 8 représentent une version préférée du réacteur 25 sous différentes coupes. La figure 5 représente schématiquement le réacteur (60) en coupe et vu de face. Quatre zones annulaires centrées sur l'axe verticale se succèdent du bord vers le centre du réacteur, une première zone (visible sur la figure 6 30 numéro 201) dite zone d'alimentation, une deuxième zone (visible sur la figure 6 numéro 202) dite zone catalytique, une troisième zone (visible sur la figure 6 numéro 203) dite zone de collecte et une quatrième zone (visible sur la figure 6 numéro 204) dite zone d'échange. 10 2924624 Des panneaux hermétiques verticaux (visibles sur la figure 6 numéro (65)) sont fixés sur la zone cylindrique centrale (visible sur la figure 6 numéro 205) et divisent le réacteur en secteurs. Chaque secteur comporte une section d'échange (61) et une section 5 catalytique (62). L'ensemble des sections d'échange forme la zone d'échange (204) et l'ensemble des sections catalytiques forme la zone catalytique (202). Chaque secteur comporte une section d'alimentation (161) et une section de collecte (162). L'ensemble des sections d'alimentation forme la zone d'alimentation (201) et l'ensemble des sections de collecte forme la zone de 10 collecte (203).
Le gaz de combustion circule de bas en haut dans le réacteur. Le gaz de combustion est alimenté par le bas du réacteur via le conduit d'entrée (6) puis est réparti dans chaque section d'échange via les conduits (70) puis via les 15 chambres tubulaires (71) avant d'être distribué par des plaques tubulaires (69) dans des tubes (99). En sortie des tubes, le gaz de combustion est collecté, en haut du réacteur, dans des chambres tubulaires (72), puis envoyé via les conduits (73) munis de soufflets de dilatation (74) vers le conduit de sortie (7).
20 Le mélange réactionnel parcourt successivement tous les secteurs. Le mélange réactionnel entre par le conduit (17) et à la sortie de la section de collecte du dernier secteur, il est collecté par le conduit (visible sur la figure 6 numéro 67) puis sort du réacteur via le conduit (18).
25 La circulation du mélange réactionnel, comprenant de l'hydrogène et des hydrocarbures, est représentée par les flèches. La pression d'entrée du réacteur est voisine de 4 bars. Le mélange réactionnel entre dans la zone d'échange du premier secteur par l'entrée (66) (Voir flèche 101). Dans ce premier secteur, le mélange réactionnel se réchauffe 30 en descendant (flèche 102) à contre-courant du gaz de combustion et sort par la sortie (75) de la première section d'échange. Le gaz passe en dessous de la section catalytique 62 (flèche 103), entre les tubulures de descente du catalyseur (263), remonte le long de la virole, et passe au travers de la section catalytique (62) (flèches 104). Le mélange réactionnel réagit et se refroidit très vite sur le catalyseur, car les naphtènes présents dans la charge réagissent très vite et de manière très endothermique. La température est généralement inférieure à 400°C à la sortie de la première section de catalyseur. Le mélange réactionnel est alors évacué de la première section en haut du réacteur et envoyé dans la seconde section via une conduite (visible sur la figure 6, numéro (64)). Le mélange réactionnel est à nouveau réchauffé dans la section d'échange du deuxième secteur, puis refroidi en réagissant dans la section catalytique du deuxième secteur. Au fur et à mesure de l'avancement des réactions, il reste de moins en moins de naphtènes, les paraffines sont plus lentes à réagir, et le craquage exothermique compense en partie l'endothermicité des autres réactions. Le profil de température de sortie donc d'entrée du mélange réactionnel dans les secteurs successifs est donc ascendant, ce qui est considéré comme favorable pour les rendements.
A la sortie du dernier secteur, le mélange réactionnel est collecté par le conduit (visible sur la figure 6 numéro 67) puis envoyé vers le conduit de sortie (18).
La figure 6 montre le réacteur vu du dessus et en coupe.
Quatre zones annulaires centrées sur l'axe verticale se succèdent du bord vers le centre du réacteur: la zone d'alimentation (201), la zone catalytique (202), la zone de collecte (203) et la zone d'échange (204). Des panneaux hermétiques verticaux (65) sont fixés sur la zone cylindrique centrale (205) et divisent le réacteur en 8 secteurs.
Les conduits (64) permettent le passage d'un secteur à l'autre. Le mélange réactionnel entre dans la première section d'échange par l'entrée (66). A la sortie du dernier secteur, le mélange réactionnel est collecté par le conduit (67).
La figure 7 représente un secteur du réacteur vu du centre du réacteur, avec la section d'échange (61) au premier plan, la plaque tubulaire (69), et la section catalytique (62) en arrière plan, avec les tubulures de descente de catalyseur (163) et (263) et les plaques de fermeture (68). La figure 8 représente le même secteur vu depuis la virole, avec la section d'échange (61) en arrière plan, la section catalytique (62) au premier plan, la sortie de la section d'échange (75), le passage (64) d'un secteur à l'autre et une plaque de fermeture (68).
Exemple La configuration du réacteur représentée par les figures 5 à 8 est mise en oeuvre dans cet exemple.
On considère une unité de reformage catalytique traitant 60 tonnes par 10 heure de charge, avec 35 tonnes de catalyseur. La charge est une coupe 90-170°C, avec une teneur en paraffines de 60% volume, en naphtènes de 25% volume et en aromatiques de 15% volume. Le rapport molaire d'hydrogène pur par rapport à la charge est de 2,5 L'octane recherche visé est de 102. 15 La totalité du catalyseur est régénéré en continu en 2,5 jours.
Pour fournir la chaleur de réaction, environ 75,24 millions de kJ/h (18 millions de kcal/h), on comprime 330 tonnes d'air à 4 bars absolu. Le compresseur centrifuge d'air a une efficacité polytropique de 80% et consomme 20 16,7 MW. La température de sortie du compresseur est de 192°C. On brûle dans la première chambre de combustion 4160 kg/h de gaz naturel à 15°C, avec un pouvoir calorifique inférieur de 46439,8 kJ/kg (11110 kcallkg). La température en sortie de chambre de combustion est de 700°C. Le gaz de combustion arrive via la conduite (6) à environ 700°C. 25 Les températures d'entrée et de sortie côté reformage catalytique dans les différents secteurs sont comme suit:
Mélange réactionnel 30 Le mélange réactionnel arrive à 450°C dans le réacteur, venant de l'échangeur charge effluent Packinox. Il est réchauffé par échange avec les fumées chaudes du premier secteur et arrive à 486°C dans le catalyseur du premier secteur, il est envoyé ensuite dans le second secteur, où il est réchauffé avant d'être alimenté au deuxième secteur. On suppose 8 secteurs dans cet exemple: section catalytique 1: entrée dans le catalyseur à 486°C, sortie à 396°C section catalytique 2: entrée dans le catalyseur à 441 °C, sortie à 419°C section catalytique 3: entrée 460°C, sortie 437°C section catalytique 4: entrée 475°C, sortie 451°C section catalytique 5: entrée 487°C, sortie 463°C section catalytique 6: entrée 497°C, sortie 475°C section catalytique 7: entrée 507°C, sortie 487°C section catalytique 8: entrée 517°C, sortie 501°C (à 4,8 bars absolu)
qaz de combustion
1 er section d'échange: entrée 700°C, sortie 471°C 2eme section d'échange: entrée 700°C, sortie 422°C 3eme section d'échange: entrée 700°C, sortie 442°C 4eme section d'échange: entrée 700°C, sortie 460°C 5eme section d'échange: entrée 700°C, sortie 472°C 6eme section d'échange: entrée 700°C, sortie 483°C 7eme section d'échange: entrée 700°C, sortie 494°C 8eme section d'échange: entrée 700°C, sortie 505°C
Le gaz de combustion sort du réacteur à 469°C, après avoir cédé 88,198 millions de KJ/h (21,1 MM Kcal/h) au mélange réactionnel.
Le gaz de combustion effluent est envoyé dans une deuxième chambre de combustion où 2560 kg/h de gaz combustibles sont brûlés, pour atteindre 760°C à une pression de 3,4 bars absolus en entrée d'une turbine d'expansion. Cette turbine a une efficacité polytropique de 85% et fournit environ 26 MW de puissance électrique qui permet d'entraîner le compresseur d'air et permet de fournir suffisamment d'électricité pour les unités de reformage catalytique et de prétraitement. En sortie de turbine, l'effluent gazeux est à une température de 526°C, ce qui permet soit de produire davantage d'électricité en générant de la vapeur, soit de réchauffer un fluide caloporteur qui permet de rebouillir les colonnes du procédé (la colonne de strippage du prétraitement et la stabilisation du reformage). Dans cet exemple, on a 48,07 millions de kJ/h (11,5 MM kcal/h) disponible entre 526°C et 400°C, ce qui est plus que suffisant pour les deux colonnes.
Une surface d'échange de 4000 m2 environ est nécessaire, soit 8 fois 500 m2. Ceci correspond à 8 fois 350 tubes de 30 mm de diamètre et de 15 m de long.
L'exemple est donné avec des échangeurs tubulaires pour simplifier les calculs, mais il est possible, sans sortir du cadre de l'invention, d'utiliser d'autres types d'échangeurs, par exemple des échangeurs à plaques soudées type Packinox, qui devraient permettre une bien meilleure compacité. Les tubes sont installés en pas triangulaire de pas P= 38 mm. Avec ce pas, il faut une section de 0,00125 m2 (0.866 x P2) pour loger un tube, donc environ 3.5 m2 pour loger les 2800 tubes. En laissant un accès de 0,8 m de diamètre au centre et en majorant la surface de 15 % pour tenir compte du sectionnement, il faut donc une surface de 0,5 + 3.5 x 1,15 = 4.5 m2 pour la totalité de la zone d'échange, soit un diamètre de 2.4 m.
Le catalyseur est installé dans une zone annulaire de diamètre intérieur 3,2 m et sur une hauteur voisine de 14 m. On a 35 tonnes de catalyseur, soit environ 50 m3, donc 3.6 m2 de zone catalytique (50/14). Le diamètre extérieur de la zone catalytique annulaire est donc de 3.85 m.
Chaque secteur comporte donc à partir de la virole extérieure: - une section vide (environ 60 cm) - une section remplie de catalyseur entre deux grilles Johnson ou 30 équivalent (environ 65 cm) - une section libre (environ 40 cm) - une section d'échange (environ 80 cm) remplie de tubes verticaux de 30 mm de diamètre - une section libre centrale (environ 40 cm de rayon) 15 2924624 Pour installer les tubes d'échange et le catalyseur comme expliqué plus haut, il faut donc une virole de 5,7 m de diamètre intérieur et d'environ 16,5 m de hauteur.
5 Le coke produit est très faible dans le premier secteur, et de plus en plus important de secteur en secteur, pour être le plus élevé dans le dernier (8 % de coke si le catalyseur circule en 2,5 jours dans ce secteur). Une solution est de faire circuler le catalyseur partout à la même vitesse, de mélanger le catalyseur en sortie de réacteur pour l'envoyer au régénérateur et de le régénérer en 10 mélange, la teneur moyenne en coke n'est alors que de 4 % environ, et permet une régénération sans risque. Cependant le catalyseur des premiers secteurs est régénéré avant que cela ne soit nécessaire, et il est sans doute préférable de dimensionner les dispositifs de descente du catalyseur de manière à ce que le catalyseur des 15 premiers secteurs descende plus lentement, et le catalyseur des derniers descende plus vite. 20 16

Claims (24)

Revendications
1- Réacteur permettant la mise en oeuvre d'une réaction endothermique en phase gazeuse présentant une forme cylindrique le long d'un axe vertical et comprenant: -au moins deux zones annulaires centrées sur l'axe verticale: une zone catalytique et une zone d'échange -des panneaux hermétiques (65) verticaux situés le long des rayons du réacteur cylindrique qui divisent le réacteur en secteurs, lesdits secteurs comportant chacun au moins une section d'échange (61) et au moins une section catalytique (62), l'ensemble desdites sections d'échange formant la zone d'échange (204) et l'ensemble desdites sections catalytiques formant la zone catalytique (202).
2- Réacteur selon la revendication 1 dans lequel la zone catalytique puis la zone d'échange se succèdent du bord vers le centre du réacteur.
3- Réacteur selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel au moins quatre zones annulaires centrées sur l'axe verticale se succèdent du bord vers le centre du réacteur, une première zone (201) dite zone d'alimentation, une deuxième zone (202) dite zone catalytique, une troisième zone (203) dite zone de collecte et une quatrième zone (204) dite zone d'échange.
4- Réacteur selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel les panneaux hermétiques (65) verticaux sont fixés le long d'une zone cylindrique centrale (205), lesdits secteurs comportent chacun une section d'échange (61), une section catalytique (62), une section d'alimentation (161) et une section de collecte (162), l'ensemble desdites sections d'échange formant la zone d'échange (204), l'ensemble desdites sections catalytiques formant la zone catalytique (202), l'ensemble desdites sections d'alimentation formant la zone d'alimentation (201) et l'ensemble desdites sections de collecte formant la zone de collecte (203). 17 2924624
5- Réacteur selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel au moins une tubulure (163) par secteur traverse le fond supérieur du réacteur pour alimenter les sections catalytiques en catalyseur et au moins une tubulure (263) par secteur traverse le fond inférieur du réacteur pour évacuer le catalyseur des 5 sections catalytiques.
6- Réacteur selon l'une des revendications 1 à 5 comprenant un fond supérieur et un fond inférieur et dans lequel: - un conduit d'alimentation (17) traversant le fond supérieur du réacteur 10 permet d'alimenter un secteur, nommé premier secteur, en mélange réactionnel -un conduit d'évacuation (18) traversant le fond supérieur du réacteur permet d'évacuer le mélange réactionnel du dernier secteur du réacteur - un conduit (67) relie la zone de collecte du dernier secteur au conduit (18) permettant d'évacuer le mélange réactionnel. 15
7- Réacteur selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel: - un conduit d'entrée (6) traversant le fond inférieur du réacteur est relié à des conduits (70) amenant à des chambres tubulaires (71), lesdites chambres tubulaires distribuant du gaz de combustion au moyen de plaques 20 tubulaires (69) par le bas du réacteur et dans chaque section d'échange -des chambres tubulaires (72) permettent de collecter le gaz de combustion en haut de chaque section d'échange, puis des conduits (73) munis de soufflets de dilatation (74) permettent d'évacuer le gaz de combustion vers le conduit de sortie (7) qui traverse le fond supérieur du réacteur. 25
8- Réacteur selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel chaque section catalytique est formée par deux grilles métalliques concentriques.
9- Réacteur selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel chaque 30 section d'échange est constituée d'échangeurs tubulaires.
10- Réacteur selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel chaque section d'échange est constituée d'échangeurs à plaques. 18 2924624
11- Réacteur selon l'une des revendications 1 à 10 dans lequel chaque section d'échange présente une surface identique.
12- Réacteur selon l'une des revendications 1 à 10 dans lequel la 5 surface d'échange augmente de la première à la dernière section d'échange.
13- Réacteur selon l'une des revendications 1 à 12 dans lequel toutes les sections catalytiques présentent la même dimension. 10
14- Réacteur selon l'une des revendications 1 à 12 dans lequel la dimension des sections catalytiques augmente de la première à la dernière section catalytique.
15- Réacteur selon l'une des revendications 3 à 14 dans lequel un 15 conduit (64) relie la section de collecte de chaque secteur, à l'exception du dernier secteur, à la section d'échange du secteur suivant.
16- Réacteur selon l'une des revendications 1 à 15 dans lequel les panneaux hermétiques (65) verticaux divisent le réacteur en 3, 4, 6 ou 8 20 secteurs.
17- Procédé de mise en oeuvre d'une réaction de reformage catalytique ou de déshydrogénation d'hydrocarbures dans un réacteur selon l'une des revendications 1 à 16. 25
18- Procédé de mise en oeuvre d'une réaction de reformage catalytique ou de déshydrogénation d'hydrocarbures dans un réacteur selon la revendication 15 dans lequel le mélange réactionnel entre dans le réacteur via le conduit (17), circule de haut en bas dans la première section d'échange (61), 30 passe sous la première section catalytique (62) entre les tubulures (263) de descente du catalyseur, traverse ensuite radialement la première section catalytique (62) en passant de la zone d'alimentation (201) à la zone de collecte (203) du réacteur, passe à la section d'échange du deuxième secteurpar la conduite (64) puis circule successivement et en alternance dans les sections d'échanges suivantes et les sections catalytiques suivantes.
19- Procédé selon l'une des revendications 17 à 18 dans lequel le 5 catalyseur circule de haut en bas à la même vitesse dans toutes les sections catalytiques.
20- Procédé selon l'une des revendications 17 à 18 dans lequel le catalyseur circule de haut en bas à une vitesse de plus en plus élevée de la 10 première à la dernière section catalytique.
21- Procédé selon l'une des revendications 17 à 20 dans lequel le gaz de combustion sous pression assure le chauffage du mélange réactionnel par un échange indirect de chaleur. 15
22- Procédé selon la revendication 21 dans lequel le gaz de combustion alimentant le réacteur (60) via le conduit (6) vient du chauffage d'air sous pression atmosphérique circulant via une ligne (1) vers un compresseur d'air (2) puis via une ligne (3) vers une chambre de combustion (4) dans laquelle le 20 brûlage d'un gaz combustible circulant via une ligne (5) permet de porter le gaz de combustion à une température comprise entre 600°C et 800°C.
23- Procédé selon la revendication 21 dans lequel le gaz de combustion alimentant le réacteur (60) via le conduit (6) vient du chauffage d'air sous 25 pression atmosphérique circulant via une ligne (1) vers un compresseur d'air (2) puis via une ligne (3) vers une chambre de combustion (4) dans laquelle le brûlage d'un gaz combustible circulant via une ligne (5) permet de chauffer l'air de combustion qui passe alors par une turbine d'expansion (12) qui est sur le même arbre que le compresseur d'air et qui fournit la puissance nécessaire à la 30 compression, le gaz de combustion sortant de la turbine d'expansion (12) est à une pression comprise entre 0,2 et 0,45 MPa, et à une température comprise entre 600 et 800°C.
24- Procédé suivant l'une des revendications 22 à 23 dans lequel le gaz de combustion sortant du réacteur via le conduit 7 est réchauffé dans une chambre de combustion (8) avant d'être envoyé dans une turbine de détente (10) pour produire de l'électricité.5
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