Domaine technique

La présente invention concerne le domaine des réacteurs avec écoulement radial de la charge hydrocarbonée à traiter. Elle s'applique plus particulièrement au reformage catalytique des essences. L'invention permet de mettre en œuvre de très faibles quantités de catalyseur et donc de contrôler des temps de séjour de faible valeur.

Etat de la technique

Les réacteurs à lit catalytique avec une circulation radiale de la charge hydrocarbonée à traiter sont connus dans le domaine du raffinage. En particulier de tels réacteurs sont employés pour réaliser des réactions de reformage catalytique qui vise la conversion des composés paraffiniques en C7-C10 et naphtèniques en C7-C10, en composés aromatiques avec la production associée d'hydrogène. La conversion catalytique est généralement opérée à haute température, de l'ordre de 500°C, à pression moyenne entre 0,1 et 4,0 MPa et en présence d'un catalyseur spécifique de reformage de manière à produire un reformat à haut indice d'octane riche en composés aromatiques qui peut servir de base carburant.

Les contraintes liées à la technologie en lit radial mobile sont multiples. En particulier, les vitesses de la charge hydrocarbonée à traiter lors la traversée du lit catalytique sont limitées pour éviter la cavitation en entrée du lit (lorsque ce dernier est un lit mobile), pour éviter le blocage du catalyseur à sa sortie contre la grille interne, et pour réduire les pertes de charge (fonction de la vitesse et de l'épaisseur du lit). En effet, un débit de charge trop élevé va conduire au phénomène de blocage de catalyseur contre le collecteur central (ou « pinning » selon la terminologie anglo-saxonne). La force exercée par la charge circulant radialement depuis la périphérie extérieure du lit de catalyseur vers le centre du réacteur plaque les grains de catalyseur contre la paroi du collecteur central, ce qui augmente la contrainte de frottement qui s'oppose alors au glissement des grains le long de la paroi. Si le courant de la charge est suffisamment élevé alors la force de friction qui en résulte est suffisante pour supporter le poids du lit catalytique de sorte que l'écoulement gravitaire des grains de catalyseur cesse, au moins dans certaines régions adjacentes à la paroi du collecteur central. Dans ces régions, les grains de catalyseur sont alors « bloqués » (« pinned » selon la terminologie anglo-saxonne) par le débit de la charge et sont maintenus immobiles contre la paroi du collecteur. Le phénomène d'immobilisation des grains de catalyseur est à éviter fortement dans les réacteurs de reformage catalytique de charges hydrocarbonées dans la mesure où il favorise les réactions de désactivation du catalyseur, par exemple par cokage, empêchant ainsi la poursuite de l'exploitation du réacteur. En effet, lorsque le gâteau de catalyseur devient trop épais le long de la conduite, il est alors nécessaire de réduire le débit de charge à traiter ou voire arrêter complètement l'unité en vue du décolmatage de ladite conduite.

Le document US 6,221 ,320 divulgue un réacteur catalytique à écoulement de la charge et à écoulement gravitaire du catalyseur comprenant une zone réactionnelle comportant une pluralité des modules catalytiques juxtaposés les uns aux autres et régulièrement répartis à l'intérieur de la zone réactionnelle sous la forme d'un cercle. Les contraintes liées à la technologie en lit radial, telles que décrits ci-avant, i.e. éviter la cavitation en entrée du lit, éviter le blocage du catalyseur à sa sortie contre la grille interne, réduire les pertes de charge, et les contraintes de construction d'un tel réacteur (il est nécessaire de laisser un espace suffisant entre la grille interne et la grille externe) imposent un volume minimal de catalyseur. Par conséquent, ce type de réacteur n'est pas optimal pour des P. P. H. élevées, car cela conduirait au phénomène de blocage de catalyseur contre le collecteur central, étant donné que toute la section de la zone réactionnelle comprend un lit de catalyseur. La P. P. H. maximale dans ce type de réacteur est de l'ordre de 20 h ^"1 .

La présente invention a pour but de proposer un nouveau type de réacteur catalytique dont la conception permet de travailler à des P. P. H. élevées. La Demanderesse a mis au point un réacteur catalytique dont la zone réactionnelle comporte une pluralité de modules catalytiques montées en parallèle et comprenant chacun un lit catalytique de faible épaisseur permettant de maîtriser les pertes de charges et donc permettant d'augmenter la P. P. H. (i.e. le rapport entre le débit de la charge à traiter sur la masse du catalyseur) au-delà de 40 h ^"1 , voire même au-delà de 50 h ^"1 , ce qui est bien plus élevé que les gammes de P. P. H. possibles dans les réacteurs à lit radial conventionnel (entre 20 et 35 h ^"1 ). Objets de l'invention

La présente invention a pour premier objet un réacteur catalytique à écoulement radial d'une charge hydrocarbonée comprenant :

- un moyen d'introduction de ladite charge à traiter ;

- un moyen d'évacuation de l'effluent issu de la réaction catalytique ;

- une pluralité de modules catalytiques, montées en parallèles, comprenant chacun au moins

- une zone de collecte d'entrée de ladite charge à traiter ;

- un moyen de distribution de la charge à traiter, situé en aval de ladite zone de collecte dans le sens de l'écoulement de la charge à traiter et en communication avec ladite zone de collecte ; - un lit de catalyseur, situé en aval dudit moyen de distribution, dans le sens de l'écoulement de ladite charge à traiter et en communication avec ledit moyen de distribution, ledit lit de catalyseur étant enfermé entre une première paroi et une seconde paroi perméables respectivement à la charge à traiter et à l'effluent issu de la réaction catalytique ;

- un moyen de collecte de l'effluent issu de la réaction catalytique, situé en aval dudit lit de catalyseur et en communication avec ledit lit de catalyseur.

Avantageusement, l'épaisseur dudit lit de catalyseur est inférieure ou égale à 500 mm.

De préférence, ladite première paroi et ladite seconde paroi sont constituées de grilles de type Johnson.

De préférence, ledit moyen de distribution de la charge à traiter se présente sous la forme d'une plaque perforée ou d'une grille, comprenant éventuellement des moyens de contrôle de la trajectoire de la charge à traiter, tels que des clapets ou des caches.

Avantageusement, ledit réacteur comprend entre 2 et 20 modules catalytiques.

Avantageusement, ledit réacteur comprend en outre :

- au moins un moyen d'entrée de catalyseur situé dans la partie supérieure de chaque lit de catalyseur ;

- au moins un moyen de sortie de catalyseur situé dans la partie inférieure de chaque lit de catalyseur.

Dans un mode de réalisation particulier selon l'invention, le moyen de distribution fait partie intégrante de la première paroi.

Dans un mode de réalisation selon l'invention, deux modules catalytiques montés en parallèles comprennent une zone de collecte commune.

Dans un mode de réalisation selon l'invention, deux modules catalytiques montés en parallèles comprennent un moyen de collecte commun.

Un deuxième objet de l'invention concerne un procédé de reformage catalytique d'une charge hydrocarbonée à traiter mettant en œuvre le réacteur catalytique selon l'invention, dans lequel :

- on envoie en continu la charge hydrocarbonée, sous forme gazeuse, dans ladite zone de collecte d'au moins un module catalytique ;

- on fait passer la dite charge à traiter dans lesdits moyens de distribution répartis de part et d'autre de ladite zone de collecte dudit module catalytique ;

- on met en contact la charge à traiter traversant radialement lesdits lits catalytiques avec le catalyseur de manière à produire un effluent gazeux ;

- on soutire ledit effluent gazeux après son passage à travers lesdits moyens de collecte. Avantageusement, le ratio entre le débit de la charge hydrocarbonée à traiter et la masse du catalyseur est supérieur ou égal à 20 h ^"1 . De préférence, ledit procédé est réalisé à une température comprise entre 400°C et 600°C, à une pression comprise entre 0,1 MPa et 4 MPa, et avec un rapport molaire hydrogène/hydrocarbures de la charge à traiter compris entre 0,1 et 10. Description des figures

Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées :

La figure 1 est une vue en perspective et éclatée d'un réacteur 1 à écoulement radial selon l'art antérieur.

La figure 2 représente une vue en coupe d'un réacteur 10 à écoulement radial selon un mode de réalisation de l'invention selon un plan parallèle par rapport à l'axe principal du réacteur. Le réacteur 10 comprend ici quatre modules catalytiques 15 fonctionnant en parallèle. Dans le mode de réalisation illustré sur cette figure, deux modules catalytiques 15 juxtaposés comprennent une zone de collecte 14 de la charge à traiter en commun. De même deux modules catalytiques 15 juxtaposés comprennent un moyen de collecte 18 en commun.

La figure 3 est une vue en perspective détaillée de deux modules catalytiques 15 utilisés dans le cadre du réacteur selon l'invention.

Description détaillée de l'invention

Réacteur

En référence à la figure 1 , un réacteur à flux radial 1 selon l'art antérieur se présente extérieurement sous la forme d'une bonbonne formant une enveloppe externe sensiblement cylindrique 2 s'étendant selon un axe de symétrie AX. L'enceinte 2 comprend dans sa partie supérieure un moyen d'introduction 3 de la charge à traiter et dans sa partie inférieure un moyen d'évacuation 4 de l'effluent issu de la réaction catalytique. A l'intérieur de l'enceinte 2 est agencée un lit de catalyseur 7 ayant la forme d'un anneau cylindrique vertical limité du côté intérieur par un tube cylindrique central 8 formé par une grille dite "intérieure" retenant le catalyseur et du côté extérieur, par une autre grille dite "externe" 5 soit du même type que la grille intérieure, soit par un dispositif consistant en un assemblage d'éléments de grille en forme de coquilles 6 s'étendant longitudinalement, comme représenté sur la figure 1 . Ces éléments de grille en forme de coquilles 6 formant des conduits sont également connus sous l'appellation anglo-saxonne de "scallops". Ces conduits 6 sont maintenus par le réservoir et plaqués à la face interne de l'enceinte, parallèlement à l'axe AX, pour former une enveloppe interne sensiblement cylindrique. Les éléments de grille en forme de coquilles 6 sont en communication directe avec le moyen d'introduction 3 de la charge à traiter via leur extrémité supérieure, pour recevoir le flux de charge à traiter. Le flux de charge, sous forme gazeuse, diffuse à travers la paroi ajourée des conduits 6, pour traverser le lit de particules solides de catalyseur 7 en convergeant radialement vers le centre du réacteur 1 . La charge est ainsi mise en contact avec le catalyseur afin de subir des transformations chimiques, par exemple une réaction de reformage catalytique, et produire un effluent de la réaction. L'effluent de la réaction est ensuite collecté par le tube cylindre central 8 (ou conduit de collecte) s'étendant le long de l'axe AX et ayant également une paroi ajourée. Ce cylindre central 8 (ou conduit de collecte) est ici en communication avec le moyen d'évacuation 4 du réacteur via son extrémité inférieure.

En fonctionnement, la charge à traiter introduit dans le moyen d'introduction 3 traverse radialement la grille "externe" 5 , puis traverse radialement le lit de particules de catalyseur 7 où il est mis en contact avec le catalyseur afin de produire un effluent qui est par la suite collecté par le cylindre central 8 et évacué par le moyen d'évacuation 4.

Un tel réacteur peut également fonctionner avec un écoulement gravitaire continu de catalyseur dans le lit catalytique annulaire 7. Dans le cas de la figure 1 , le réacteur 1 comprend en outre des moyens d'introduction 9a du catalyseur dans le lit annulaire, disposés dans une partie supérieure du réacteur et des moyens de soutirage 9b du catalyseur qui sont agencés dans une partie inférieure du réacteur.

Un réacteur catalytique 10 selon l'invention est représenté à la figure 2. Dans ce mode de réalisation, le réacteur catalytique 10 à écoulement radial d'une charge hydrocarbonée comprend au moins un moyen d'introduction 11 de ladite charge à traiter, un moyen d'évacuation 12 de l'effluent issu de la réaction catalytique et une pluralité de modules catalytiques 15, montées en parallèles, enfermés dans l'enveloppe 13 du réacteur catalytique 10. Plus particulièrement, chaque module catalytique 15 comprend au moins :

- une zone de collecte 14 d'entrée de ladite charge à traiter ;

- un moyen de distribution 16 de la charge à traiter, situé en aval de ladite zone de collecte 14 dans le sens de la circulation de la charge à traiter et en communication avec ladite zone de collecte 14;

- un lit de catalyseur 17, situé en aval dudit moyen de distribution 16 dans le sens de la circulation de ladite charge à traiter, et en communication avec ledit moyen de distribution 16, ledit lit de catalyseur 17 (appelé aussi lit catalytique) étant enfermé entre une première paroi 19 et une seconde paroi 20 perméables respectivement à la charge à traiter et à l'effluent issu de la réaction catalytique, et imperméables au catalyseur contenu dans le lit catalytique 17 ; - un moyen de collecte 18 de l'effluent issu de la réaction catalytique, situé en aval dudit lit de catalyseur 17 et en communication avec ledit lit de catalyseur 17.

Un tel agencement du réacteur catalytique permet de réduire de manière significative l'épaisseur « e » de chaque lit de catalyseur 17 enfermée entre la première paroi 19 et la seconde paroi 20 perméables à la charge à traiter et à l'effluent issu de la réaction catalytique. Plus particulièrement, l'épaisseur « e » du lit de catalyseur 17, mesurée entre la première paroi 19 et la seconde paroi 20 retenant chaque lit catalytique 17, est inférieure ou égale à 500 mm, de préférence inférieure ou égale à 400 mm, plus préférentiellement inférieure ou égale à 300 mm et encore plus préférentiellement inférieure ou égale à 200 mm. La faible épaisseur du lit de catalyseur 17 permet ainsi de mieux contrôler les pertes de charge et donc permet d'augmenter le P. P. H. à une valeur supérieure ou égale à 20 h ^"1 , de préférence supérieure ou égale à 50 h ^"1 , plus préférentiellement supérieure ou égale à 100 h ^{" 1} , est encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 200 h ^"1 .

Avantageusement, la première paroi 19 et la seconde paroi 20 retenant les lits catalytiques 17 sont constituées de grilles de type Johnson.

Dans un mode de réalisation selon l'invention, le moyen de distribution 16 se présente sous la forme d'une grille ou d'une plaque perforée, permettant de distribuer la charge à traiter, sous forme gazeuse, sur la totalité de la surface disponible du lit de catalyseur 17 situé en aval dudit moyen de distribution. Eventuellement, le moyen de distribution se présente sous la forme d'une grille ou d'une plaque perforée pouvant comprendre des moyens de contrôle de la trajectoire de la charge à traiter, tels que des clapets ou des caches, afin d'optimiser la circulation de la charge à traiter, à travers le de catalyseur 17. Dans un autre mode de réalisation particulier selon l'invention, le moyen de distribution 16 fait partie intégrante de la première paroi 19.

Selon l'invention, le réacteur catalytique 10 comprend au moins deux modules catalytiques 15, fonctionnant en parallèle. La présence de plusieurs modules catalytiques 15 permet également d'envisager d'en condamner un en cas de défaillance, tout en continuant à faire fonctionner le système sur les autres modules catalytiques. Plus généralement, le réacteur catalytique 10 peut comprendre entre 2 et 20 modules catalytiques 15, fonctionnant tous en parallèle, de préférence entre 2 et 10 modules catalytiques 15.

Dans un mode de réalisation selon l'invention, tel que représenté aux figures 2 et 3, deux modules catalytiques 15 juxtaposés peuvent comprendre une zone de collecte commune 14 d'entrée de la charge à traiter. Ainsi, la charge peut être répartie de part et de la zone de collecte 14. De la même manière, deux modules catalytiques 15 juxtaposés peuvent comprendre comme élément commun le moyen de collecte 18 de l'effluent issu de la réaction catalytique. Ces deux modes de réalisation, i.e. zone de collecte commune et moyen de collecte commun, peuvent être combinables entre eux. Un tel agencement permet de réduire l'encombrement des modules catalytiques 15 dans le réacteur 10.

Il est à noter que le catalyseur peut être un réacteur à lit catalytique fixe ou un réacteur à lit catalytique mobile, c'est-à-dire que le catalyseur est introduit dans le réacteur et soutiré dudit réacteur en continu. Dans le mode de réalisation particulier dans lequel le réacteur est à lit catalytique mobile, le catalyseur peut être introduit dans chaque lit catalytique 17 via une tubulure d'entrée 21 située dans la partie supérieure 22 de chaque module catalytique. Il peut être évacué du lit catalytique 17 via une tubulure de sortie 23 située dans la partie inférieure 24 de chaque lit de catalyseur 17.

Afin de permettre un écoulement optimisé du catalyseur dans chaque lit catalytique 17, différentes solutions peuvent être envisagées :

- la forme de la section de chaque lit catalytique 17 peut être quelconque, identique ou différente pour chaque lit de catalyseur 17, telle que circulaire, elliptique, polygonale ou toute autre forme ;

- le module catalytique 15 peut comprendre plusieurs tubulure d'entrée 21 et/ou plusieurs tubulures de sortie 23, telles que décrites ci-avant ;

- le module catalytique 15 peut comprendre un dispositif interne de distribution du catalyseur ou encore déflecteurs internes pour favoriser l'écoulement.

En fonction de la forme de la section de chaque lit catalytique 17, il est possible de restreindre l'espace perforé à l'aide de caches afin d'optimiser la circulation des gaz au travers du lit et éviter les passages préférentiels.

Chaque lit de catalyseur 17 est de préférence de forme et de taille identiques, mais il est possible d'envisager des variations de forme ou de taille d'un lit à l'autre. Ainsi le réacteur catalytique selon l'invention permet d'atteindre des objectifs de P. P. H. élevées pour optimiser les performances réactionnelles du procédé, tout en proposant un concept mécanique réaliste, modulable, de maintenance aisée, et comprenant de faibles quantités de catalyseur. Le réacteur permet également d'inspecter visuellement par un trou d'homme, le réacteur une fois assemblé. Procédé

Le réacteur selon l'invention peut être utilisé dans des réactions à circulation radiale de fluide gazeux comme par exemple une réaction de reformage catalytique d'une charge hydrocarbonée, une isomérisation squelettale des oléfines, la métathèse pour la production de propylène, une réaction d'oligocraquage.

Plus particulièrement, l'invention concerne également un procédé de reformage catalytique d'une charge hydrocarbonée utilisant le réacteur selon l'invention. Le réacteur selon l'invention peut en effet être mis en œuvre dans des procédés de reformage des essences et de production de composés aromatiques. Les procédés de reformage permettent d'augmenter l'indice d'octane des fractions essences provenant de la distillation du pétrole brut et/ou d'autres procédés de raffinage telles que par exemple le craquage catalytique ou le craquage thermique. Les procédés de production d'aromatiques fournissent les produits de base (benzène, toluène, xylènes) utilisables en pétrochimie. Ces procédés revêtent un intérêt supplémentaire en contribuant à la production de quantités importantes d'hydrogène indispensable pour les procédés d'hydrogénation et d'hydrotraitement de la raffinerie.

La charge à traiter contient généralement des hydrocarbures paraffiniques, naphténiques et aromatiques contenant de 5 à 12 atomes de carbone par molécule. Cette charge est définie, entre autres, par sa densité et sa composition pondérale. Ces charges peuvent avoir un point initial d'ébullition compris entre 40°C et 70°C et un point final d'ébullition compris entre 160°C et 220°C. Elles peuvent également être constituées par une fraction ou un mélange de fractions essences ayant des points d'ébullition initiaux et finaux compris entre 40°C et 220°C. La charge à traiter peut ainsi également être constituée par un naphta lourd ayant de point d'ébullition compris entre 160°C à 200°C.

Typiquement, la charge est introduite dans le réacteur en présence d'hydrogène et avec un rapport molaire hydrogène/hydrocarbures de la charge généralement compris entre 0,1 et 10, de préférence entre 1 et 8. Les conditions opératoires du reformage sont généralement les suivantes: une température de préférence comprise entre 400°C et 600°C, de manière plus préférée entre 450°C et 540°C, et une pression de préférence comprise entre 0,1 MPa et 4 MPa et de manière plus préférée entre 0,25 MPa et 3,0 MPa. Tout où partie de l'hydrogène produit peut être recyclé à l'entrée du réacteur de reformage. Le ratio entre le débit de la charge hydrocarbonée à traiter et la masse du catalyseur est supérieur ou égal à 20 h ^"1 , de préférence supérieure ou égal à 50 h ^"1 , plus préférentiellement supérieur ou égal à 100 h ^"1 , et encore plus préférentiellement supérieur ou égal à 200 h ^"1 . Dans un premier mode de mise en œuvre du réacteur, tel que représenté en figures 2 et 3, la charge hydrocarbonée à traiter circule en courant ascendant. En fonctionnement, la charge hydrocarbonée, sous forme gazeuse, est injectée par le fond du réacteur via un moyen d'introduction 11 se présentant sous la forme d'une tubulure d'entrée, et est envoyée dans la zone de collecte 14 du module catalytique 15. La charge à traiter passe ensuite dans les moyens de distribution 16. La charge à traiter traverse ensuite le lit catalytique 17 et elle est mise en contact avec un catalyseur de manière à produire un effluent gazeux. L'effluent gazeux est ensuite soutiré via un moyen d'évacuation 12 (se présentant sous la forme d'une tubulure de sortie) après son passage à travers le moyens de collecte 18.

Dans un second mode de mise en œuvre du réacteur (non représenté) la charge hydrocarbonée à traiter circule en courant descendant. En fonctionnement, la charge hydrocarbonée, sous forme gazeuse, est injectée par le haut du réacteur via un moyen d'introduction se présentant sous la forme d'une tubulure d'entrée, et est envoyée dans la zone de collecte commune du module catalytique. La charge à traiter passe ensuite dans le moyen de distribution. La charge à traiter traverse ensuite le lit catalytique et elle est mise en contact avec un catalyseur de manière à produire un effluent gazeux. L'effluent gazeux est ensuite soutiré via un moyen d'évacuation (se présentant sous la forme d'une tubulure de sortie) après son passage à travers le moyen de collecte.

Il est à noter que la charge hydrocarbonée à traiter peut également être injectée latéralement dans le réacteur 10 via le moyen d'introduction 11 . De même l'effluent issu de la réaction catalytique peut être récupéré latéralement dans le réacteur 10, via le moyen d'évacuation 12.