DISPOSITIF ET PROCEDE A LIT FLUIDIFIE ROTATIF DANS UNE SUCCESSION DE CHAMBRES CYLINDRIQUES. DESCRIPTION La présente invention se rapporte à un dispositif à lit fluidifié rotatif dans une succession de chambres cylindriques pour la polymérisation catalytique, le séchage, l'imprégnation, ou autres traitements de particules solides, en suspension dans les lits fluidifiés rotatifs, passant d'une chambre à l'autre, par un fluide ou mélange de fluides, ou pour le craquage, la déshy- drogénation ou autres transformations catalytiques d'un fluide ou mélange de fluides, traversant les lits fluidifiés rotatifs, composés de particules catalytiques solides passant d'une chambre cylindrique à l'autre. Les procédés où des particules solides sont en suspension dans un fluide et forment ainsi un lit fluidifié qui est traversé par ce fluide, sont bien connus. Lorsque ce fluide est injecté tangentiellement à la paroi latérale d'un réacteur cylindrique, il peut transférer une partie de son énergie cinétique aux particules solides pour leur donner un mouvement de rotation et si l'énergie transférée est suffisante, ce mouvement de rotation produit une force centrifuge qui peut maintenir les particules solides le long de la paroi du réacteur formant ainsi un lit fluidifié rotatif; dont la surface est approximativement un cône tron- que inversé, si le réacteur est vertical. Un tel procédé est décrit dans la demande n° 2004/0186 d'un brevet belge, déposée le 14 avril 2004, au nom du même inventeur.

Cependant, lorsqu'un jet de fluide est injecté à grande vitesse dans un réacteur de grande dimension, il est rapidement ralenti par son expansion, dépendant des conditions dans lesquelles il est injecté. C'est pourquoi, lorsque la densité du fluide est beaucoup plus faible que la densité des particules, il est nécessaire d'avoir un débit très élevé pour pouvoir transférer aux particules solides une quantité de mouvement produisant une force centrifuge suffisante et les dispositifs d'évacuation de ce fluide, après qu'il ait traversé le lit fluidifié, peuvent devenir encombrants et limiter la hauteur ou la longueur du réacteur.

Dans la présente invention, un réacteur cylindrique est divisé en une succession de chambres cylindriques par une succession de cylindres plats ou disques creux fixés contre sa paroi latérale. Ces disques creux comprennent des ouvertures en leur centre afin d'y aspirer le fluide traversant chaque chambre en tournant rapidement, et des ouvertures dans leur paroi laté- raie afin de l'évacuer en dehors du réacteur. Ces disques creux sont traversés par des passages adéquatement profilés pour permettre aux particules solides en suspension dans le fluide, tournant rapidement, de passer d'une chambre cylindrique à l'autre.

Dans la présente invention, le fluide ou mélange de fluides est injecté tangentiellement le long de la paroi cylindrique du réacteur, généralement en films peu épais, et, tout en tournant, traverse radialement le réacteur, depuis sa paroi latérale vers son centre, d'où il est évacué par les ouvertures centrales des disques creux. La vitesse d'injection du fluide et son débit sont suffisants pour faire tourner les particules solides en suspension dans un lit fluidifié rotatif à une vitesse de rotation produisant une force centrifuge les écartant des ouvertures centrales des disques creux par où le fluide est évacué et permettant de les transférer d'une chambre cylindrique à l'autre, au travers des passages dans les disques creux, malgré l'éventuelle légère différence de pression entre ces chambres cylindriques. Dans la présente invention, le fluide est alimenté par un ou des distributeurs, extérieurs au réacteur, afin de le distribuer adéquatement aux injecteurs situés dans les différentes chambres cylindriques. Il est évacué ensuite, au travers des disques creux, par un ou des ventilateurs ou compresseurs, qui l'aspirent au travers d'un ou plusieurs collecteurs, extérieurs au réacteur et reliés entre eux, afin de régulariser les pressions à l'intérieur des différentes chambres cylindriques. Le fluide peut ensuite être recyclé, après un traitement adéquat, par exemple refroidi ou réchauffé, par les mêmes distributeurs ou d'autres distributeurs, dans les mêmes chambres cylindriques ou les suivantes. H peut être recyclé plusieurs fois dans les mêmes chambres cylindriques ou dans des chambres cylindriques successives.

Les particules solides sont généralement introduites à une extrémité du réacteur et ensuite transférées d'une chambre cylindrique à l'autre, grâce à leur vitesse de rotation et au profil des passages au travers des disques creux. Elles sont généralement évacuées à l'extrémité opposée du réacteur. Un dispositif de recyclage des particules solides peut être prévu à l'exté- rieur du réacteur.

La présente invention peut comprendre, pour améliorer l'efficience du transfert d'énergie entre le fluide et les particu-

les solides, des déflecteurs adéquatement profilés et disposés à proximité des injecteurs du fluide, afin de permettre le mélange du fluide avec une quantité limitée de particules solides et afin de canaliser le fluide pour empêcher ou réduire son expansion dans le réacteur avant qu'il ait transféré une quantité importante de son énergie cinétique à ces particules solides. Ce dispositif permet d'utiliser des fluides beaucoup plus légers que les particules solides et de l'injecter à grande vitesse dans un réacteur de

5 grandes dimensions sans perdre une grande partie de son énergie cinétique en raison de son expansion dans le réacteur. Un tel dispositif est décrit dans la demande d'un brevet belge au nom du même inventeur et déposée le même jour que la présente demande.

La présente invention peut comprendre des ensembles de spires hélicoïdales ou d'ailettes transversales, inclinées ou enroulées en hélice et fixées le long de la paroi cylindrique des chambres cylindriques, pour utiliser une partie de l'énergie

\0 cinétique de rotation des particules solides pour les faire monter le long de cette paroi, afin de réduire la différence d'épaisseur entre le haut et le bas du lit fluidifié. Ce dispositif permet d'augmenter la hauteur des chambres cylindriques sans devoir augmenter l'épaisseur du lit fluidifié à sa base. Un tel dispositif est décrit dans la demande n° 2004/0186 d'un brevet belge, déposée le 14 avril 2004 au nom du même inventeur.

Le réacteur peut être horizontal. Dans ce cas la vitesse d'injection du fluide dans le réacteur et son débit doivent être

!5 suffisants pour faire tourner le lit fluidifié à une vitesse de rotation produisant une force centrifuge suffisante pour que son épaisseur dans la partie supérieure du réacteur soit proche de son épaisseur dans la partie inférieure du réacteur et les ouvertures normalement prévues dans le centre des disques creux peuvent être légèrement décalées vers le bas afin de mieux les centrer par rapport à la surface approximativement cylindrique du lit fluidifié.

Ce procédé permet d'augmenter la différence de vitesse entre les particules solides et le fluide sans réduire la densité

20 du lit fluidifié grâce à la force centrifuge et donc d'améliorer le contact et le transfert thermique entre ceux-ci. Il permet également d'augmenter de manière significative le volume de fluide traversant le lit fluidifié et donc de réduire de manière significative le temps de séjour du fluide dans le lit fluidifié.

La division du réacteur en une succession de chambres cylindriques, qui peuvent n'être reliées entre elles que par des passages de petites dimensions, servant au transfert des particules solides accompagnées d'une faible quantité de fluide, permet

25 de les faire traverser par des fluides différents, recyclés en boucle. Ceci rend ce procédé particulièrement intéressant lorsqu'il est nécessaire d'utiliser des fluides de compositions variant significativement d'une chambre cylindrique à l'autre.

Ce procédé permet des temps de séjour des particules dans le réacteur, courts ou longs, suivant la dimension des passages entre les chambres cylindriques, et la résistance à la rotation du lit fluidifié peut être faible, car l'injection du fluide en films peu épais le long de la paroi latérale du réacteur réduit le frottement des particules solides sur cette paroi.

30 Ce procédé est particulièrement intéressant lorsque le volume du fluide circulant est très élevé, car les dispositifs d'évacuation centrale du fluide par des disques creux peuvent permettre de très gros débit du fluide avec un minimum de résistance et les distributeurs et collecteurs du fluide, étant à l'extérieur du réacteur, peuvent avoir de gros diamètres sans réduire la place disponible pour le lit fluidifié à l'intérieur du réacteur.

Ce procédé est aussi particulièrement intéressant lorsque la pression à l'intérieur du réacteur est inférieure à la pres-

35 sion atmosphérique, car les disques creux peuvent soutenir la paroi cylindrique du réacteur, ce qui permet d'avoir des parois minces, coupées longitudinalement, pour former des fentes par où le fluide peut être injecté et pour en faciliter le démontage. En outre les distributeurs, les collecteurs et le réacteur peuvent former un ensemble compact facilement transportable.

Ainsi ce procédé permet la construction d'unités légères, compactes, transportables et efficientes, par exemple pour le séchage de graines de céréales. Il convient également pour les modifications catalytiques de fluides à basse pression, comme

40 le craquage d'oléfines légères ou la déshydrogénation de l'éthylbenzène qui, étant très endothermiques, nécessitent des réchauffages intermédiaires et la régénération du catalyseur. D peut aussi être utilisé pour la copolymérisation catalytique, bi ou multimodale, de particules en suspension dans une succession de fluides actifs de compositions différentes.

La figure 1 montre une vue schématique d'une coupe d'un réacteur cylindrique vertical dont on voit la section de sa paroi latérale cylindrique (1) de chaque côté de son axe de symétrie cylindrique (2). Une succession de disques creux dont on

₄ 5 voit les sections creuses (3) divise le réacteur en une succession de chambres ou zones cylindriques, de Zl à Z3. Le fluide (4)

est alimenté par le distributeur (5) dans des ensembles de tubes (6), répartis autour du réacteur et reliés à des ensembles d'injecteurs (T) répartis à l'intérieur du réacteur et conçus pour injecter le fluide, généralement en films peu épais, horizontalement et tangentiellement à la paroi du réacteur, c'est-à-dire perpendiculairement au plan de la figure. Tout en tournant, le fluide traverse le lit fluidifié qui contient des particules solides en suspension, symbolisées par les points noirs. H se rapproche du centre du réacteur à une vitesse radiale, symbolisée par les flèches (8), qui est d'un ordre de grandeur inférieure à sa vitesse de rotation. Après avoir traversé la surface approximativement conique du lit fluidifié, dont on voit la section (9), le fluide (10) pénètre dans les ouvertures centrales des disques creux (3), qui peuvent être surmontés de tubes (11) pour éviter que les particules solides n'y pénètrent lors des arrêts et qui peuvent être élargis (12) autour de leurs ouvertures centrales afin de faciliter l'entrée du fluide. Le fluide (13) est ensuite évacué, au travers des ouvertures (14) des bords latéraux des disques creux qui peuvent être élargis (15) autour de ces ouvertures (14) pour faciliter la sortie du fluide, par les ensembles de tubes (16) répartis autour du réacteur vers un collecteur (17) relié à un ventilateur ou compresseur (18), qui aspire le fluide pour le recycler, après un traitement adéquat en (19), au travers de la partie inférieure (5.1) du distributeur, par un ensemble de tubes (6) et d'injecteurs (7), répartis autour du réacteur et alimentant les zones inférieures du réacteur. Le fluide peut être recyclé plusieurs fois avant d'être évacué en (20), au travers de la partie inférieure (17.1) du collecteur, par le ventilateur ou compresseur (18.1). Le nombre de recyclage moyen du fluide est environ égal au rapport des débits des ventilateurs (18) et (18.1).

H faut remarquer que la vitesse d'injection du fluide est influencée par la pression hydrostatique engendrée par le poids du lit fluidifié dans chaque zone. Pour éviter une trop grande différence de vitesse d'injection et de débit du fluide entre la base et le sommet de chaque zone, les fentes (7) par où le fluide est injecté peuvent être profilées adéquatement, comme le symbolise leur forme trapézoïdale, et elles peuvent être équipées d'obstacles répartis adéquatement pour réduire la vitesse d'injection dans leur partie supérieure. Des vannes de contrôle (22) peuvent également permettre d'ajuster la vitesse et la proportion du fluide (23) injecté aux différents niveaux des chambres cylindriques. Une vanne de contrôle (24) peut également ajuster le débit de sortie du fluide (20).

L'introduction des particules solides (25) peut se faire dans le bas du réacteur par le tube (26) par des moyens adéquats, tels que la gravité, une vis hélicoïdale ou un jet de fluide. Le réacteur étant divisé par les disques creux en plusieurs chambres cylindriques, de Zl à Z3, elles montent d'une chambre à la suivante, par les passages (27) qui sont aménagés au travers des disques creux. Elles sont évacuées de la dernière chambre cylindrique, Z3, au sommet du réacteur, en (29), par le tube (30) par des moyens adéquats. D'autres sorties, (30.1), peuvent être prévues, par exemple dans le bas de chaque chambre, pour pouvoir vider rapidement le réacteur.

La quantité de particules transférées dépend de la vitesse de rotation de ces particules, qui doit être suffisante pour vaincre la pression hydrostatique du lit fluidifié situé au-dessus du passage. Ainsi en augmentant la proportion et la vitesse du fluide injecté au sommet d'une chambre cylindrique à l'aide d'une vanne de contrôle (22), on augmente l'énergie injectée dans le haut de cette chambre et donc la vitesse de rotation des particules solides et donc leur transfert vers la zone supérieur. En asservissant ces vannes à des détecteurs de niveau de la surface des lits fluidifiés de chaque chambre, on peut stabiliser ces surfaces entre les passages et l'entrée centrale des disques creux. Ceci permet de localiser ces passages contre la paroi latérale du réacteur, là où la concentration des particules est la plus élevée et donc de réduire la quantité de fluide entraîné avec ces particules solides.

La quantité de particules solides transférées d'une zone à l'autre peut aussi varier suivant que les passages sont plus ou moins immergés dans le lit fluidifié de la chambre cylindrique inférieure, ce qui permet de stabiliser la surface du lit fluidifié au sommet de chaque chambre cylindrique le long de ces passages. Ainsi, à l'équilibre, le lit fluidifié peut être plus ou moins épais en fonction de l'éloignement de ces passages du bord latéral du réacteur.

La vidange du réacteur peut se faire par des sorties latérales au bas de chaque zone et son remplissage initial peut se faire par le bas, en fermant l'alimentation du fluide par les tubes (6) des chambres cylindriques supérieures non remplies pendant le remplissage d'une chambre cylindrique inférieure, pour éviter que la plus grande partie du fluide ne passe par les chambres vides. Il peut se faire également au travers des tubes d'alimentation du fluide recyclé, si la dimension et la nature des particules solides le permettent ou par le haut si l'orientation d'au moins un passage par disque creux le permet.

Le film peu épais de fluide sortant des iηjecteurs à tendance à s'élargir très rapidement et donc à ralentir avant d'avoir pu transférer suffisamment d'énergie cinétique de rotation aux particules solides. Pour l'éviter, des déflecteurs latéraux adéquatement profilés peuvent être fixés plus ou moins parallèlement à la paroi latérale du réacteur, à proximité des sorties des injec- teurs, afin de mélanger un volume restreint de particules solides au fluide injecté dans les espaces ou couloirs situés entre ces déflecteurs latéraux et la paroi du réacteur. Ces déflecteurs latéraux empêchent l'expansion du fluide, et donc son ralentissement, avant qu'il ait transféré une partie suffisante de son énergie cinétique aux particules solides, à l'intérieur de ces espaces ou couloirs, qui doivent avoir un profil et une longueur adaptée aux objectifs.

La figure 2 est une coupe transversale du réacteur permettant de visualiser ce schéma d'injection des fluides. On y voit la section des déflecteurs latéraux (32), perpendiculaires au plan de la figure et longeant les sections de la paroi latérale (1) du réacteur, de rayon (33), afin de délimiter avec cette paroi latérale un espace ou couloir, généralement convergent puis divergent, par où le fluide, schématisé par les flèches (4), injecté par des tubes ou des buses (6), de largeur (34), doit passer. On y voit également la section circulaire de la surface du lit fluidifié (9) de rayon (35). Les particules solides sont schématisées par les petites flèches (37), indiquant leur sens de déplacement.

Sur ce schéma les tubes d'accès aux disques creux, non représentés, sont reliés par des déflecteurs centraux, perpen- diculaires au plan de la figure, de section (38), de courbure (39), délimitant des fentes par où le fluide (10) est aspiré vers les ouvertures centrales des disques creux, et permettant de mieux séparer le fluide des particules.

Des flux concentrés de particules solides, symbolisés par les flèches (41), pénètrent dans ces espaces ou couloirs, généralement convergents puis divergents, par des passages ou couloirs d'accès, de largeur (42), situées entre la paroi des injecteurs (6) et les déflecteurs latéraux (32), à une vitesse, qui est environ la vitesse moyenne de rotation des particules soli- des dans le réacteur. Ces flux concentrés de particules solides se diluent en se mélangeant au fluide injecté, qui leur cède une partie substantielle de son énergie cinétique, et donc augmente leur quantité de mouvement, dans ces espaces ou couloirs entre les parois du réacteur (1) et les déflecteurs latéraux (32). Ensuite les particules solides se mélangent aux autres particules solides du lit fluidifié en leur cédant la quantité de mouvement acquise.

Sur la figure 2, ces espaces ou couloirs sont d'abord convergents, pour atteindre une largeur minimum (43), et ensuite divergents, pour atteindre la largeur de sortie (44). Hs peuvent aussi avoir une largeur constante. Dans ce cas le fluide ralenti au fur et à mesure que les particules solides et le fluide qui les accompagne s'accélèrent. D'une manière générale, les dimensions de ces espaces ou couloirs doivent être établies en fonction des conditions de fonctionnement et des objectifs de transfert d'énergie cinétique.

H faut également tenir compte de la diminution de la pression hydrostatique du lit fluidifié, le long de la surface cy- lindrique du réacteur, en fonction de la hauteur dans les chambres cylindriques du réacteur. Le fluide sortant des injecteurs peut avoir tendance à remonter le long des parois du réacteur avant de se mélanger aux particules solides en raison de cette différence de pression hydrostatique le long de cette paroi. Pour l'éviter, des déflecteurs transversaux, perpendiculaires à la paroi cylindrique du réacteur, comme par exemple des anneaux, peuvent diviser l'espace délimité par les ailerons et la paroi latérale du réacteur, pour guider le fluide et les particules dans la direction souhaitée, généralement horizontale ou inclinée vers le haut, jusqu'à ce que le fluide soit mélangé aux particules, comme le montre la Figure 3.

La figure 3 est une projection axonométrique d'un morceau de paroi latérale (1) du réacteur, permettant de mieux visualiser un exemple d'injecteurs (7) de fluide, avec leurs déflecteurs latéraux (32) et des anneaux (46), servant de déflecteurs transversaux empêchant le fluide de monter le long de la paroi du réacteur. On y montre également, en pointillé, les entrées des tubes (6) d'alimentation du fluide, situés derrière la paroi latérale des injecteurs, et, en hachuré, les sections des sorties dïnjec- teurs (7), à l'avant plan. Les flèches (4) et (41) indiquent respectivement les directions des flux de fluide et des particules solides pénétrant ou sortant des espaces convergents et divergents entre les déflecteurs latéraux (32) et la paroi latérale (1) du réacteur.

Les déflecteurs transversaux, illustrées par de larges anneaux (46), peuvent être creux, formant des sortes de buses circulaires et être reliés à l'extérieur du réacteur par un ou plusieurs tubes d'alimentation afin de distribuer le fluide à une suc- cession d'injecteurs disposés le long de ceux-ci, pour réduire le nombre de tubes traversant la paroi du réacteur, nécessaires à

l'alimentation des injecteurs, ce qui peut être souhaitable lorsque la pression dans le reacteur est élevée

Ces déflecteurs transversaux peuvent aussi être des successions de spires hélicoïdales, formant une spirale ascendante, continue ou discontinue, a l'intérieur de chaque chambre cylindrique ou être une succession de fractions de spires hélicoïdales ou ailettes transversales, groupées a un même ou plusieurs mêmes niveaux des chambres, le bord supérieur d'une fraction de spire ou ailette surplombant le bord inférieur de la suivante, afin de faire monter les particules solides le long de la paroi du reacteur en vue de réduire la différence d'épaisseur du ht fluidifie et les différences de pression le long de cette paroi entre le haut et le bas des différentes chambres cylindriques du réacteur

La figure 4 est la projection d'une demi coupe transversale d'une chambre cylindrique, ou des successions de quarts de spires hélicoïdales (46) forment soit une spirale continue faisant trois tours a l'intérieur de la chambre, soit trois ensembles de quatre spires hélicoïdales situées au mêmes niveaux de la chambre et se succédant tous le 90°, le bord supérieur d'un quart de spire surplombant le bord inférieur de la suivante On y voit les sections des disques creux (3), des tubes d'alimentation (6) du fluide (4), des tubes dentree (11) des disques creux, élargis en (12) et relies par des déflecteurs centraux (38), dont on voit une section (49), les flèches (8), (10) et (13) symbolisant respectivement les flux de fluide sortant (8) des injecteurs (7), entrant (10) dans les tubes centraux (11) par les fentes délimitées par les déflecteurs centraux (38), et traversant radialement (13) les disques creux (3) vers les tubes de sortie (16) du reacteur , les passages (27) de transfert de particules d'une zone a l'autre, les déflecteurs latéraux (32), les injecteurs de fluide (7) et leurs sections a l'avant plan, formant, de bas en haut, des ensembles continus, sépares par les quarts de spires hélicoïdales (46)

La figure 5 montre la coupe d'un passage (27) On y voit la section (3) des deux plaques parallèles formant le disque creux et son espace intérieur (50) par ou passe le fluide radialement, c'est a dire perpendiculairement au plan de la figure, pour sortir du reacteur Les particules solides sont représentées par les points noirs qui se déplacent dans le sens des flèches (51) Elles traversent le disque creux en longeant les parois inclinées (52) du passage Elles sont prolongées par des déflecteurs (53) de chaque côte du disque creux afin de faciliter le transfert des particules du bas vers le haut, dans le sens de leur vitesse de rotation Ces déflecteurs (53) peuvent être prolonges par des spirales dont on voit la section (46), afin de faciliter l'ascension des particules solides La figure 6 est un schéma de circulation transversale des particules solides le long d'une demi section longitudinale d'une chambre cylindrique semblable a celle qui est montrée sur la figure 4, sans les déflecteurs latéraux et centraux On y reconnaît la section (1) de la paroi du reacteur, son axe de symétrie cylindrique (2), les tubes d'alimentation (6) du fluide (4) dans les injecteurs de section (7), les sections (46) du début des quarts de spires hélicoïdales longeant la paroi latérale de la chambre cylindrique, situées en dessous des sections (46 1) de la fin des quarts de spires hélicoïdales situées dans le quart de la chambre cylindrique en avant plan de la figure

Le fluide (4), injecte dans la chambre cylindrique, perpendiculairement au plan de la figure, traverse la surface du ht fluidifie de section (9) et pénètre (10) dans les tubes d'entrée (11) des disques creux (3), d'où il est aspire par les tubes de sorties (16) Les particules solides, dont la vitesse de rotation perpendiculaire au plan de la figure est d'un ordre de grandeur supérieur aux vitesses transversales, entrent dans la chambre cylindrique par le passage inférieur, (27e), a un débit Fe et elles en sortent par le passage supérieur (27s) au débit Fs Si ce dernier est supérieur au débit d'entrée, Fe, la chambre se vide progressivement de ses particules solides et la surface du lit fluidifie se rapproche de sa paroi latérale, ce qui diminue automatiquement le débit de sortie Fs Une autre façon d'ajuster le niveau du lit fluidifie est d'asservir le débit d'injection du fluide dans la partie supérieure de la chambre a un détecteur de particules, qui peut être place le long de la paroi inférieure du disque creux et qui, suivant la position de la surface du lit fluidifie, augmente ou diminue ce débit et donc la vitesse de rotation des particules solides et donc la quantité de particules solides transférées par le passage (27s)

Les particules solides, tournant dans le lit fluidifie a l'intérieur de la chambre cylindrique, sont poussées vers le haut par les ensembles de quarts de spires hélicoïdales, a un débit Fp, symbolise par les flèches ascendantes Si ce débit est supérieur au débit de sortie, Fs, elles doivent retomber dans l'espace entre les spires hélicoïdales et les tubes (11), a un débit Fp=Fp-Fs, et la force centrifuge les maintient dans le lit fluidifie, dont la surface ondule autour des spires hélicoïdales Celles- ci, en supportant le poids du lit fluidifie situe au dessus d'elles, subissent une différence de pression entre leur surface infe-

rieure et supérieure, ce qui permet de diminuer la différence de pression entre le bas et le haut de la chambre cylindrique. Elles permettent aussi de réduire la différence d'épaisseur du lit fluidifié entre le haut et le bas de la chambre cylindrique, et donc d'en augmenter la hauteur.

La différence de pression entre le haut et le bas de la chambre cylindrique peut entraîner des différences de vitesses d'injection du fluide en fonction de la hauteur de leur injection. Ces différences génèrent des différences de vitesses de rotation des particules solides. En outre la différence de pression entre les deux faces des disques creux et plus particulièrement entre l'entrée et la sortie des passages au travers de ces disques creux et le frottement ralentissent les particules solides qui sont transférées d'une chambre à l'autre et donc freinent la vitesse de rotation des particules solides dans le bas de la chambre cylindrique suivante. La plus faible vitesse de rotation des particules solides et donc de la force centrifuge dans le bas des chambres cylindriques provoquent à la fois une légère diminution de la pression le long de la paroi latérale et une légère augmentation de l'épaisseur du lit fluidifié, ce qui diminue la pente de sa surface qui dépend du rapport de la force centrifuge et de la force de gravité. Ces différences de pression et de pente génèrent une circulation interne, qui tend à réduire ces différences et qui est dirigée vers le bas le long de la paroi latérale, symbolisée par les flèches descendantes, Fi, et vers le haut à proximité de la surface du lit fluidifié, symbolisée par les flèches ascendantes, Fi.

De la même manière, les particules solides sont ralenties par le frottement et l'augmentation de leur énergie potentielle en montant le long de la surface supérieure des spires hélicoïdales, ce qui entraîne le même type de circulation interne entre les ensembles de spires hélicoïdales. Ces ralentissements successifs de la vitesse de rotation des particules solides et leur circulation interne augmentent la quantité d'énergie que le fluide doit transférer aux particules, nécessitant un transfert efficient de quantité de mouvement et un débit de fluide très élevé, convenant bien à ce procédé.

On peut estimer approximativement la circulation interne en divisant le lit fluidifié en anneaux dont on suppose les vitesses de rotations moyennes et déterminer les écarts de pression et d'épaisseur entre ces anneaux pour en déduire l'importance de cette circulation, et ensuite appliquer la conservation de la quantité de mouvement pour déterminer par approximations successives la vitesse moyenne de rotation d'équilibre de ces anneaux. Ces vitesses dépendent entre autre de la quantité de mouvement transférée par le fluide vers les particules solides.

Dans un espace ouvert, cette quantité de mouvement dépend de la vitesse de rotation du fluide qui est davantage liée aux proportions de la chambre cylindrique et au débit du fluide, qu'à sa vitesse d'injection. Par contre, la variation de pression à l'intérieur d'un espace convergent permet de transférer aux particules solides une quantité de mouvement en relation avec son énergie cinétique et donc sa vitesse d'injection, ce qui favorise ce type d'alimentation lorsque le rapport entre la vitesse d'injec- tion du fluide et la vitesse souhaitée de rotation des particules solides doit être très élevé en raison du rapport élevé entre la densité des particules et du fluide.

Ce dispositif peut s'adapter à différents schémas, suivant les différents procédés.

PROCEDE DE POLYMERISATION CATALYΗQUE DE PARΗCULES SOLIDES :

La Figure 7 illustre un schéma simplifié, semblable à la figure 1, légèrement modifié afin de permettre la co- polymérisation bimodale ou multimodale, de particules solides, servant de catalyseur, en suspension dans des fluides ou mélanges de fluides actifs, contenant le monomère et le ou les comonomère, comme par exemple, la copolymérisation catalytique bimodale de l'éthylène avec de l'hexène.

On y reconnaît le réacteur (1), son axe de symétrie cylindrique (2), les sections creuses des disques creux (3) séparant le réacteur en deux ensembles de deux chambres cylindriques successives, de Zl à Z2 et de Z3 à Z4, les tubes d'alimentation

(6), avec leurs vannes de contrôle (22), la section des injecteurs (7), les sections (9) des surfaces des lits fluidifiés, les tubes d'entrées (11) des disques creux et les tubes de sorties (16). H y a deux ensembles de distributeurs indépendants, (5) et (5.1), deux ensembles de collecteurs, (17) et (17.1), reliés

entre eux par un tube (45)pour l'équilibrage des pressions dans les deux ensembles de chambres cylindriques, deux compresseurs, (18) et (18.1), avec leurs unités de traitement des fluides, symbolisées par les échangeurs de température, (19) et (19.1), et les cyclones (21) et (21.1) et le disque creux, séparant la chambre Z2 de la chambre Z3, est divisé par une cloison de séparation (60) empêchant le mélange des fluides provenant de ces deux chambres afin de permettre de recycler séparément les flui-

5 des circulant dans chacun des ensembles de chambres cylindriques, de Zl à Z2 et de Z3 à Z4. Le nombre d'ensembles de chambres cylindriques et le nombre de chambres cylindriques par ensemble peut varier. Il dépend de la taille du réacteur et des objectifs de polymérisation.

Les particules de polymère, symbolisées par les points noirs, sortant du sommet du réacteur par le tube (30) sont introduites dans un tube de recyclage qui peut être une colonne de purification, (61), traversée par le fluide injecté en (4.1),

]0 fluidifiant les particules de polymère qui forment un lit fluidifié de surface (62), le fluide s'échappant en (66) en passant par le séparateur de particules (67) pour être recyclé par le compresseur (18). Les particules de polymère sont ensuite recyclées par le tube (26) au bas du réacteur. Après avoir parcouru un certain nombre de cycles, elles (29) sont évacuées par des tubes (30.1), pouvant être disposés le long des parois latérales des différentes chambres cylindriques.

L'alimentation en monomère frais, comme de l'éthylène, peut être introduite : en partie en (4.1), au bas de la colonne

!5 de purification et être recyclé dans la partie supérieure du réacteur après avoir purgé les particules de polymère du co- monomère excédentaire, comme de l'hexène, qu'elles contiennent ; en partie en (4.2), pour faciliter le recyclage des particules de polymère, bien que la pression hydrostatique du lit fluidifié de la colonne (61), déterminée par le niveau d'équilibre de sa surface (62), peut suffire et en partie dans le tube (45) d'équilibrage des pressions, pour empêcher que l'équilibrage des pressions entre l'ensemble supérieur et l'ensemble inférieur des chambres cylindriques occasionne des transferts indésirables de

20 fluides entre ces ensembles.

Le co-monomère (63), comme de l'hexène, peut être pulvérisé en fines gouttelettes sur la surface des lits fluidifiés d'une ou plusieurs chambres cylindriques supérieures par des injecteurs (64), qui passent par les disques creux et le catalyseur peut être introduit par un dispositif adéquat (65) dans une des chambres cylindriques. D'autres composants actifs, comme de l'hydrogène, et d'autres monomère peuvent être introduits dans un des circuits de recyclage, et leur excédent peut être éliminé

25 dans l'autre circuit de recyclage, par exemple par absorption dans des absorbeurs régénérables. Si nécessaire, des fluides de refroidissement additionnel, non actifs, comme du propane ou de l'isobutane, peuvent être pulvérisé en fines gouttelettes sur les lits fluidifiés de la même manière que le comonomère.

Ce schéma permet de limiter les transferts indésirables de fluides d'un ensemble vers l'autre, aux fluides non éliminés par la colonne de purification (41) et aux fluides accompagnant les particules de polymère dans le ou les passages (27) qui

30 relient les chambres cylindriques Z2 et Z3, et dont la taille peut être limitée en fonction des objectifs de polymérisation.

Les accessoires de contrôles, de purifications, etc.... y compris la possibilité de refroidir les disques creux, la colonne de purification et autres surfaces disposées à l'intérieur des chambres, ne sont pas décrits. Ils peuvent être définis en fonction des objectifs de polymérisation par les personnes maîtrisant les procédés de polymérisation en lit fluidifié.

35 PROCEDE DE TRANSFORMATION CATALYTIQUE DE FLUIDES :

La figure 8 illustre un schéma simplifié, semblable à celui de la figure 7, légèrement modifié afin de permettre la transformation catalytique d'un fluide ou mélange de fluides, dans un lit fluidifié rotatif contenant des particules catalytiques solides, comme par exemple, le craquage catalytique d'oléfines légères.

₄ 0 Dans ce schéma, le fluide à transformer, (4), est injecté, préchauffé si nécessaire, dans le ou les distributeurs (5) qui alimentent l'ensemble de chambres cylindriques inférieures, Zl et Z2. Il est évacué de ces chambres par le ou les collecteurs (17), pour être réchauffé dans le réchauffeur (19), et être recyclé par le ou les distributeurs (5.1) dans l'ensemble de chambres cylindriques supérieures, Z3 et Z4, d'où il est aspiré, au travers du ou des collecteurs (17.1) par un compresseur unique (18), pour être transféré en (20) vers des unités adéquates de traitement.

₄ 5 La poudre de catalyseur frais ou recyclé est alimentée dans la chambre cylindrique Zl du bas du réacteur par le tube

(26) et remonte lentement d'une chambre à l'autre, jusqu'au sommet du réacteur d'où elle est évacuée par les tubes (30), vers une colonne de régénération (61). Un fluide de régénération, (4.1), par exemple un mélange d'air et de vapeur d'eau, fluidifie la poudre de catalyseur dans le régénérateur, tout en le régénérant. Il est évacué, en (66), au travers d'un séparateur de particules (67). Le niveau d'équilibre de la surface (62) du lit fluidifié de la colonne (61) est celui qui donne une pression hydrostati- que suffisante pour permettre le recyclage de la poudre de catalyseur régénéré au débit souhaité. Ce recyclage peut être facilité par l'injection d'un fluide d'entraînement, (4.2), comme de la vapeur d'eau.

L'alimentation en série des deux ensembles de chambres cylindriques entraîne une différence de pression significative entre la chambre Z2 et la chambre Z3, ce qui va accélérer les particules catalytiques et le fluide qui les accompagne dans le passage (27) qui les relie. Ceci nécessite de réduire les dimensions de ce passage, qui peut être localisé à la distance de la paroi latérale correspondant à l'épaisseur désirée du lit fluidifié ou qui peut être contrôlé par une vanne de contrôle de débit asservie à des détecteurs de niveau du lit fluidifié de la chambre cylindrique Z2.

Si le rapport entre la densité du lit fluidifié et du fluide est très élevé, il faut non seulement un débit de fluide très élevé, mais aussi une vitesse d'injection élevée, il est souhaitable d'utiliser un dispositif adéquat de transfert d'énergie et de quantité de mouvement du fluide vers les particules catalytiques, avant que le fluide ait perdu une partie substantielle de sa vitesse en raison de son expansion dans l'espace ouvert des chambres cylindriques.

Le nombre de chambres et d'ensembles peut varier. Les accessoires de contrôles, de purifications, etc.... ne sont pas décrits. Ils peuvent être définis en fonction des objectifs, par les personnes maîtrisant les procédés de transformation catalyti- que en lit fluidifié.

Dans ce schéma le fluide sortant, venant de l'ensemble supérieur de chambres cylindriques est à plus basse pression, ce qui est généralement favorable à la transformation du fluide, mais il est en contact avec le catalyseur qui doit être régénéré, ce qui est défavorable et nécessite des temps de cycles entre deux régénérations plus courts. Ceci peut être évité en ajoutant un deuxième compresseur avant le réchauffeur (19) pour égaliser les pressions dans les deux ensembles de chambres cylindriques, ce qui permet d'inverser la circulation du fluide, c'est à dire d'alimenter le fluide à transformer dans l'ensemble supérieur et de retirer le fluide transformé de l'ensemble inférieur.

PROCEDE DE SECHAGE OU AUTRES TRAITEMENTS DE PARTICULES SOLIDES :

Le séchage de particules solides, comme des graines de céréales, pouvant se faire avec de l'air à une pression voisine de la pression atmosphérique, il est possible, grâce à ce procédé, de le réaliser dans des unités légères, peu encombrantes et facilement transportables, comme décrits dans les figures 9 à 12.

La figure 9 montre la section longitudinale d'un réacteur horizontal, pouvant travailler à une pression légèrement inférieure à la pression atmosphérique. On y voit la section (1) de sa paroi, son axe de symétrie cylindrique (2) et les sections creuses (3) des disques creux qui séparent le réacteur en cinq chambres cylindriques successives, de Zl à Z5. Le distributeur (5) est traversé par une fente longitudinale, symbolisée par le trait fin (69) et est relié par des plaques, remplaçant les tubes (6) et schématisées par le rectangle (70), à de longues fentes longitudinales sur toute la longueur du réacteur, symbolisées par le rectangle (7), divisant la paroi cylindrique du réacteur en deux demis cylindres et conçues pour injecter le fluide (4) perpendiculairement au plan de la figure, c'est-à-dire tangentiellement dans le réacteur.

Tout en tournant, le fluide traverse, à une vitesse radiale (8), le lit fluidifié, dont la surface (9) est approximativement cylindrique. Cependant, la vitesse de rotation des particules, symbolisées par les points noirs, étant plus grande dans la partie inférieure du réacteur en raison de la pesanteur, l'épaisseur du lit fluidifié y est moindre et donc l'axe de symétrie (2.1) de la surface du lit fluidifié est légèrement plus bas que l'axe de symétrie (2) du réacteur. La distance entre ces deux axes, δ, qui est environ égale à la moitié de la différence d'épaisseur entre le haut et le bas du lit fluidifié, est approximativement δ ≤ E.(2R- E).g/2v ² , où E, R, g et v sont respectivement l'épaisseur moyenne du lit fluidifié, le rayon des chambres cylindriques, l'accélération de la pesanteur et la vitesse moyenne de rotation des particules solides, si R-E/2«v ² /g. Le fluide (10) pénètre ensuite par les ouvertures centrales des disques creux (3), élargis (12) autour de celles-ci. Le

fluide (13) sort du réacteur par les ouvertures (14), en traits fins, qui sont de longues fentes transversales découpées dans la paroi latérale des disques creux qui sont élargis (15) autour de celles-ci et il pénètre par les buses (16) dans le collecteur de section (17) et est aspiré par un ventilateur (18). Des tubes (71), traversant les extrémités ou couvercles du réacteur, peuvent aussi évacuer le fluide centralement. Ensuite une partie du fluide est évacuée en (20) en passant par une vanne de contrôle (24). Son débit est approximativement égal au débit du fluide alimenté en (4). Le reste du fluide est traité, par exemple séché à l'aide d'un condenseur et/ou réchauffé, en (19), puis recyclé (23) par l'extrémité opposée du distributeur (5). Il faut remarquer que, dans le schéma décrit ci-dessus, le fluide peut être recyclé en moyenne plusieurs fois avant d'être évacué, si le débit du fluide de recyclage (23) est plusieurs fois supérieur au débit d'alimentation (4) et donc aussi au débit d'évacuation (20), mais, en raison de son mélange dans le ventilateur (18) une petite fraction du fluide sera évacuée dès son premier passage dans le réac- teur. Ceci peut être évité en utilisant un deuxième ventilateur, (18.1) comme montré sur le schéma de la figure 1.

Les particules solides (25) sont introduites dans le réacteur par le tube (26) par des moyens adéquats et sont transférées d'une chambre à l'autre par les passages (27). Les particules vont d'abord remplir la première chambre cylindrique, Zl, jusqu'à ce que le niveau de la surface (9) du lit fluidifié arrive au niveau du premier passage (27). Ensuite les particules peuvent commencer à remplir la deuxième chambre cylindrique et ainsi de suite jusqu'au moment où le niveau de la dernière chambre cylindrique, Z5, arrive au niveau de l'ouverture de sortie des particules (29) par le tube (30) permettant leur sortie du réacteur.

Toutefois, le fluide passant préférentiellement par les zones ne contenant pas ou peu de particules solides, il faut prévoir des passages secondaires (27.1), localisés contre la paroi latérale du réacteur pour permettre un remplissage progressif et plus ou moins uniforme de l'ensemble des chambres cylindriques pour éviter que de trop grandes différences de débits du fluide dans les fentes d'injection empêchent de transférer l'énergie nécessaire à la rotation des particules solides dans les zones qui se remplissent.

La vitesse de transfert dépend de la vitesse de rotation des particules solides, des dimensions des passages et de leur profil et des différences de niveau de la surface du lit fluidifié d'une chambre à l'autre. Cette dernière peut être accentuée ou diminuée en inclinant le réacteur. La rotation des particules est assurée par le transfert de quantité de mouvement du fluide vers les particules, afin de compenser les pertes d'énergie dues à la turbulence, au frottement et à leurs transferts dans le réacteur et d'une chambre à l'autre. Cette quantité de mouvement peut être augmentée en plaçant des déflecteurs latéraux, (non représentés sur cette figure) adéquatement profilés en face des injecteurs. Les pertes d'énergie peuvent être minimisées en soignant l' aérodynamisme intérieur des chambres cylindriques. La vidange du réacteur, en cas de disfonctionnement, peut être assuré par des ouvertures aménagées dans le bas de chaque zone et un filtre ou séparateur de particules peut être installé en amont du ventilateur (18) ou de la sortie (20) pour éviter d'envoyer des particules solides en aval de l'installation.

Les ouvertures centrales des disques creux peuvent être reliées par des déflecteurs centraux, comme ceux (38) décrits sur la figure 2, et leurs entrées peuvent être situées dans la partie supérieure du réacteur pour minimiser le risque d'aspiration de particules, surtout lors des arrêts intempestifs.

La figure 10 représente la vue d'une coupe traversant un disque creux, suivant le plan AA' de la figure 9, pour un réacteur ayant deux distributeurs et deux collecteurs et formant avec ceux-ci un ensemble compact facilement transportable et conçu pour être facilement démontable. On y montre la section (1) de la paroi latérale du réacteur, la section (5) de deux distributeurs, de leurs fentes longitudinales (69), perpendiculaires au plan de la figure, et des plaques (70) permettant d'injecter le fluide (4) par les fentes (7) traversant longitudinalement (perpendiculairement au plan de la figure) la paroi du réacteur, le divisant en deux demis cylindres. Elles sont aménagées de préférence à peu près à la même hauteur de chaque côté du réacteur, pour que le débit du fluide les traversant ne soit pas affecté par des différences de pression hydrostatique à l'intérieur du lit fluidifié. Elles sont encadrées par les plaques (73), qui sont soudées ou prolongent la paroi latérale (1) du réacteur et qui sont reliées, de manière démontable, aux plaques (70) des distributeurs (5) par les fixations (74). Leur écartement est maintenu par des inserts (75) disposés régulièrement le long de ces fentes longitudinales et profilés adéquatement pour minimiser leur résis-

tance à l'écoulement du fluide qui est injecté dans le réacteur. Ce dispositif permet d'ouvrir le réacteur en soulevant sa partie supérieure.

L'élargissement (12) du disque creux autour de son ouverture centrale est délimité par deux cercles (76), en traits fins, et les deux élargissements (15) à la périphérie du disque, autour de ses ouvertures latérales, sont délimités par les courbes (77), en traits fins. L'intérieur du disque creux étant apparent, on peut voir la section (78) de longerons reliant ses deux parois parallèles pour en maintenir l'écartement, pour augmenter la rigidité de l'ensemble et pour guider vers les ouvertures aménagées dans sa paroi latérale (79) le fluide (80) qui tourne rapidement lorsqu'il pénètre dans le disque creux.

Le fluide (13) sort ensuite du disque creux et pénètre dans les deux collecteurs de section (17) en passant par les buses, dont on voit une face (16) et dont une extrémité (81), en trait fin, est soudée au collecteur (17) et dont l'autre extrémité, qui pénètre dans la fente transversale du réacteur, est soudée à la paroi latérale du réacteur et pénètre à l'intérieur du disque creux au travers des fentes dans sa paroi latérale (79). L'extrémité circulaire (82) de la buse (16) est appuyée contre la paroi inférieure du disque creux et les côtés latéraux des buses, dont on voit les sections (83), sont plies à leur extrémité (84) pour faciliter leur insertion dans les ouvertures de la paroi latérale du disque creux, lors du montage du réacteur. Des longerons triangulaires (85) relient les parois opposées des buses pour en augmenter la rigidité et leurs extrémités (86) adéquatement profilées pénètrent dans le disque creux afin de guider ces buses à l'intérieur du disque lors de l'assemblage des deux parties du réacteur. Les extrémités (82) et (84) des buses (16) ont des dimensions qui permettent de les emboîter facilement et de manière suffisamment étanche dans les ouvertures latérales des disques creux.

Les passages qui permettent le transfert des particules d'une zone du réacteur à l'autre au travers du disque creux, sont disposés, par exemple, le long des bords du disque creux, (27.1), et plus près de son centre, (27.2). Ils sont délimités par les parois (87) perpendiculaires au plan de la figure et les parois inclinées (52) qui guident les particules solides se déplaçant dans la direction (89), de la zone d'un côté du disque vers la zone de l'autre côté. Si un transfert des particules solides dans les deux sens est souhaitable pour obtenir un reflux, par exemple des particules les plus lourdes, certains passages, par exemple près de la paroi du réacteur, peuvent être inclinés dans le sens contraire.

La figure 11 est un agrandissement du dispositif d'injection du fluide montré dans les figures 9 et 10. On y montre, en hachuré, un morceau des section (1) de la paroi latérale du réacteur, du distributeur (5), des plaques (70) et (73) reliant la fente longitudinale (7), perpendiculaire au plan de la figure, dans la paroi du réacteur à la fente longitudinale (69) du distributeur (5) du fluide (4), et en traits fins, l'attache (74) qui permet d'assembler la partie basse du réacteur, à gauche de la figure, avec sa partie haute, à droite, et la section de l'insert (75) qui assure l'écartement des plaques (73) dont l'une est le prolongement de la paroi (1) de la partie supérieure du réacteur, à droite, et l'autre est soudée à la partie inférieure du réacteur, à gau- che. La paroi latérale (79) du disque creux et un passage (27.1), le long du bord latéral du disque creux, délimité par une paroi latérale (87) et des parois inclinées (88) qui guident les flux de particules (89) de la zone en dessous du disque creux à la zone au dessus du disque creux sont également visibles sur cette figure.

Les sections de déflecteurs latéraux (32), comme ceux qui sont décrits sur la figure 2, ne sont pas représentées. Elles pourraient coïncider ou être en retrait de la section (87) de la paroi latérale d'un passage et être prolongée au-delà du passage, suivant les besoins.

La figure 12 montre la vue d'une coupe, suivant le plan BB' perpendiculaire à la figure 10, de la buse reliant un disque creux à un collecteur. On y montre la surface extérieure du collecteur (17), la surface intérieure du côté latéral (79) d'un disque creux et la section (3) de ses deux parois parallèles, les deux extrémités circulaires (82) et les extrémités (84) des bords latéraux triangulaires de la buse, pliées et profilées pour s'insérer dans l'ouverture (14), aménagée dans la paroi latérale (79) du disque creux entre ses parois (3), les longerons triangulaires (85) avec leur extrémités (86) adéquatement profilées pour faciliter l'encastrement de la buse dans l'ouverture du disque creux et enfin la paroi supérieure et inférieure (16) de la buse qui coupe le collecteur (17) suivant les lignes de soudure (81).

* * *

Afin de donner des ordres de grandeurs, ces différents procédés peuvent être illustrés par des exemples chiffrés. Cependant, les vitesses de rotation des particules dépendant d'un ensemble de facteurs tels que la turbulence et la

viscosité du lit fluidifié, qui dépendent de la nature des particules solides et de l'aérodynamisme à l'intérieur des chambres cylindriques, les exemples qui suivent ne sont donnés qu'à titre indicatif.

PREMIER EXEMPLE : co-polymérisation catalytique bimodale d'éthylène et d'hexène :

A titre indicatif, une unité de taille industrielle, suivant le schéma de la figure 7, peut, par exemple, avoir des chambres cylindriques de 3 m de diamètre et 1,8 m de hauteur. Si la pression de Péthylène est d'environ 25 atmosphères et si la concentration des particules dans le lit fluidifié est d'environ 35%, le rapport de la densité du lit fluidifié et du fluide est d'environ 11. Des ouvertures centrales des disques creux de 0,8 m de diamètre permettent d'évacuer aisément un débit d'éthylène recyclé de 5 πrVsec par chambre cylindrique, soit environ 500 tonnes par heure. Si les particules de polymère sont transférées d'une chambre à l'autre à un débit de 125 litres par seconde, soit environ 150 tonnes par heure et un peu plus si le profil des passages est conçu pour y augmenter la concentration des particules afin de réduire les transferts de fluides indésirables d'une chambre à l'autre, une vitesse d'injection moyenne du fluide de 20 m/sec environ et un transfert efficient de la quantité de mouvement du fluide vers les particules de polymère peut permettre de les faire tourner à une vitesse moyenne de plus de 6 m/s, suffisante pour obtenir un lit fluidifié rotatif vertical.

Si l'épaisseur du lit fluidifié aux sommets des chambres cylindriques est d'environ 30 cm, l'épaisseur à leurs bases peut être environ 0,9 m, donnant un volume de lit fluidifié de près de 7 m ³ par chambre cylindrique, soit environ 2,3 tonnes de polyéthylène. L'emploi de spirales hélicoïdales ou autres moyens adéquats permet d'augmenter l'épaisseur aux sommets des chambres tout en la diminuant à leurs bases, ce qui peut permettre un volume du lit fluidifié de 7,5 m ³ soit 2,5 tonnes de polyéthylène, tout en réduisant les différences de pressions, de vitesses et de temps de résidence du fluide dans le lit fluidifié entre leurs bases et leurs sommets.

Le temps moyen de résidence des particules de polymère dans chaque chambre cylindrique est d'environ 1 minute et celui du fluide dans le lit fluidifié est de 1,5 secondes. Si le réacteur comprend 10 chambres cylindriques, qui peuvent être groupées en deux ou plusieurs ensembles ayant des circuits de recyclage séparés, pour obtenir une composition des particules de polymère bi ou multimodale, le volume total de fluide recyclé est de 50 m ³ /sec, soit environ 5.400 tonnes par heure, ce qui permet d'assurer, sans l'aide de fluides réfrigérants, le refroidissement d'une production d'au moins 50 tonnes de polymère par heure avec un temps de résidence moyen des particules de 30 minutes, leur permettant environ 3 cycles complets en moyenne, ce qui permet d'assurer une homogénéité raisonnable aux particules de polymère, tout en limitant les transferts de fluides indésirables entre les différentes parties du réacteur. S'il faut donner la priorité à l'homogénéité des particules de polymère, on peut augmenter la quantité de particules de polymère transférées d'une chambre à l'autre, en augmentant les dimensions des passages, ce qui augmente aussi la quantité de fluides indésirables transférés d'un ensemble de chambres à l'autre et peut donc diminuer leur différentiation.

Le volume d'éthylène alimentant le réacteur étant d'environ 0,5 m ³ /sec, soit environ 6 fois le volume de fluide trans- féré avec les particules d'une chambre à l'autre et donc aussi dans la colonne de purification (61), il est aisé de purger les particules de ce fluide contenant de l'hexène en utilisant une partie de cet éthylène dans cette colonne, compte tenu de la possibilité d'avoir une plus faible concentration d'hexène dans la chambre cylindrique supérieure, si l'hexène n'est pulvérisé que dans les chambres cylindriques inférieures de l'ensemble supérieur.

Si l'ensemble inférieur de chambres cylindriques contient une concentration élevée d'hydrogène pour y diminuer le poids moléculaire du polyéthylène haute densité qui y est produit, une faible quantité de cet hydrogène est transférée vers le ou les ensembles supérieurs du réacteur en même temps que les particules de polymère. Pour éviter que sa concentration y soit trop élevée, elle peut être contrôlée à l'aide d'absorbeur d'hydrogène qui peuvent être intercalé dans le ou les circuits de recyclages des fluides du ou des ensembles supérieurs.

C'est la surface du lit fluidifié d'environ 12 m ² par chambre, soit 120 m ² en tout, pour une épaisseur moyenne du lit fluidifié d'environ 0,6 m et la force centrifuge, qui permettent un débit de fluide aussi élevé et un temps de résidence du fluide

dans le lit fluidifié aussi court. Les chambres cylindriques étant alimentées en parallèle, la différence de pression entre l'entrée et la sortie du réacteur est relativement faible permettant de limiter la dépense d'énergie nécessaire au recyclage du fluide. La force centrifuge et la direction du déplacement du fluide, essentiellement tangentielle à la surface du lit fluidifié, permettent une différence élevée de vitesses entre le fluide et les particules, afin d'assurer un meilleur transfert de chaleur, sans trop dimi- nuer la densité du lit fluidifié.

DEUXIEME EXEMPLE : le craquage catalytique d'oléfines légères.

Le craquage catalytique d'oléfines d'essences provenant de craqueurs catalytiques se fait à température élevée et à basse pression, proche de la pression atmosphérique. Il est très endothermique, ce qui justifie de travailler en deux passages successifs avec réchauffage intermédiaire, ce qui nécessite la circulation de volume de fluide considérable. Le catalyseur est progressivement recouvert de carbone, et cela d'autant plus vite que le fluide à craquer est plus lourd, ce qui justifie une circulation du catalyseur avec régénération continue. Le temps du cycle moyen entre deux régénérations dépend des conditions de travail. Il peut être de moins d'une heure à plusieurs heures. Par exemple, à titre indicatif pour fixer les ordres de grandeur, un réacteur industriel peut avoir des chambres cylindriques de 1,6 m de diamètre et de 1,5 m de haut Si le rapport de la densité du lit fluidifié et du fluide est de 150, un débit de fluide recyclé de 2,4 mVsec, injecté à une vitesse moyenne de 50m/sec, peut faire tourner les particules catalytiques à une vitesse de rotation supérieure à 4 m/sec, suffisante pour obtenir un lit fluidifié rotatif vertical. Les différences de vitesses de rotation des particules, de pressions et d'épaisseurs du lit fluidifié entre le haut et le bas des chambres pouvant être assez éle- vées, il est souhaitable de les équiper de spirales hélicoïdales ascendantes ou autres dispositifs permettant de les réduire. Ceci peut permettre d'obtenir un lit fluidifié d'épaisseur variant entre 20 et 40 cm, d'un volume d'environ 1,7 m ³ et d'une surface d'environ 5 m ² par chambre, avec un temps moyen de résidence du fluide dans le lit fluidifié de 0,7 secondes.

Si le réacteur comprend deux ensembles en série de quatre chambres cylindriques chacun, ce qui lui donne une hauteur de plus de 12 mètres, compte tenu de l'épaisseur des disques creux nécessaires à l'évacuation des fluides, il peut craquer environ 200 tonnes par heure, si la densité du fluide chauffé est de 6 gr/litres.

La différence de pression entre l'entrée et la sortie de chaque ensemble de chambres cylindriques, nécessaire pour compenser la pression hydrodynamique du lit fluidifié et injecter le fluide aux vitesses souhaitées, peut être inférieure à un quart de la pression atmosphérique. Si la chute de pression dans le four de réchauffage est suffisamment faible, l'alimentation des deux parties du réacteur étant en série, la différence de pression entre ces deux parties peut être inférieure à 50% de la pression atmosphérique, à comparer à la pression hydrostatique du lit fluidifié dans la colonne de recyclage (61), qui peut être proche de la pression atmosphérique pour une hauteur de 11 m, ce qui est suffisant pour recycler les particules catalytiques régénérées.

Un des avantages de cette configuration en série est la plus faible pression du fluide dans le réacteur de sortie, ce qui favorise sa conversion. Cette configuration permet aussi d'utiliser plus de deux parties de réacteur en série, ce qui permet d'améliorer la conversion, sans surcoût très élevé, compte tenu des courtes distances possibles entre les fours et le réacteur et de l'absence de besoin d'un compresseur supplémentaire.

TROISIEME EXEMPLE : séchoir à grain horizontal :

Pour fixer les ordres de grandeur, un réacteur horizontal, tel que décrit par les figures 9 à 12, formant avec ces accessoires un ensemble de la taille d'un container facilement transportable, peut avoir 1,8 m de diamètre et être divisé en 6 chambres cylindrique de 0,5 m de large. Les grains humides (25) sont introduits par le tube (26) dans la zone Zl. Ils sont chauffés et séchés par l'air recyclé, qui est chauffé par l'échangeur (19) et éventuellement séché, si nécessaire, par un condenseur non représenté. Les grains sont transférés d'une chambre cylindrique à l'autre jusqu'à la dernière chambre, Z6, où ils sont refroidis par l'air frais (6) qu'ils préchauffent tout en achevant leur séchage avant de sortir (29) par le tube (30). L'air est réchauffé,

séché et recyclé dans les autres zones, un nombre de fois égal au rapport du débit total du ventilateur et du débit de l'air évacué en (20).

Le déplacement du fluide à l'intérieur du lit fluidifié étant essentiellement parallèle à la surface du lit fluidifié et la force centrifuge permettant une vitesse radiale perpendiculaire à cette surface relativement élevée, la différence de vitesse entre

5 l'air et les grains et le débit d'air peuvent être relativement élevés, ce qui réduit la durée nécessaire au séchage. De plus, les grains étant refroidis par l'air frais avant de sortir du réacteur et leur temps de séjour dans le réacteur étant relativement court, ils peuvent être chauffés à des températures légèrement plus élevées que dans un sécheur classique. En outre, l'air humide étant légèrement refroidi par les grains qu'il préchauffe avant de quitter le réacteur, l'utilisation des calories est très efficace. Cette efficacité peut être améliorée en utilisant un deuxième ventilateur, plus petit, qui évacue directement l'air sortant de la

]0 première chambre cylindrique, qui à servi au préchauffage des grains et qui peut être isolée par une séparation dans le premier disque creux, sans qu'il soit mélangé à l'air provenant des autres chambres cylindriques. De plus, de petits passages secondaires, (27.1), le long de la paroi latérale du réacteur, peuvent assurer un transfert préférentiel des grains les plus lourds, et donc les plus difficiles à sécher, dans le sens inverse, afin d'augmenter leur temps de séjour dans le réacteur.

Si, par exemple, le lit fluidifié contenant les grains en suspension a une densité apparente de 300 grammes par litre,

!5 le rapport de cette densité et de l'air ambiant est d'environ 230, ce qui nécessite un débit d'air et une vitesse d'injection très élevés. Par exemple un débit d'air de 2 mVsec par chambre, soit plus de 9 tonnes par heure par chambre, injecté à 40 m/sec environ et un transfert efficient de quantité de mouvement de l'air vers les grains peuvent donner des vitesses de rotation des grains de plus de 6 m/sec, ce qui donne une différence d'épaisseur entre le haut et le bas d'un lit fluidifié d'épaisseur moyenne de 30 cm, de moins de 12 cm.

20 Le débit d'air total de 12 mVsec peut être alimenté par un ventilateur dans deux distributeurs de 0,65 m de diamètre et évacué par deux collecteurs de 0,7 m de diamètre, les ouvertures centrales des disques creux pouvant être inférieures à 0,6 m de diamètre. Ceci permet de contenir l'ensemble formé par le réacteur, ses distributeurs et collecteurs dans un carré de 2,5 m de côté, correspondant à la taille d'un container standard.

Le volume du lit fluidifié est d'environ 700 litres par chambre, soit 4,2 m ³ en tout, pour une surface de plus de 11 m ² .

25 Si le transfert de grains d'une chambre à l'autre est de 20 litres par secondes, soit environ 20 tonnes par heure, leur temps de résidence moyen dans le séchoir est de 3,5 minutes environ. Leur degré de séchage dépend du degré de l'humidité et de la température de l'air qui peut être réchauffé, entre autres, par le refroidissement du moteur du ventilateur, et peut passer par un condenseur, mais d'une manière générale il est plus rapide que dans un séchoir ordinaire, compte tenu de la grande différence de vitesses entre l'air et les grains, obtenue grâce à leur direction tangentielle et à la force centrifuge.

30 En cas d'arrêt imprévu, il est nécessaire de prévoir un cyclone et/ou un filtre pour éviter qu'une partie des grains soit entraînée par le ventilateur et évacuée dans l'atmosphère et des ouvertures dans le bas de chaque zone pour pouvoir vider le réacteur avant le redémarrage.

La capacité peut être doublée en doublant la longueur du réacteur et en utilisant un ventilateur supplémentaire du côté de la sortie des grains pour ne pas devoir augmenter le diamètre des distributeurs et des collecteurs.

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