ET INJECTEUR CORRESPONDANT

L'invention concerne un dispositif d'introduction d'un liquide à l'intérieur d'un injecteur de liquide, notamment un injecteur de charge d'une unité de craquage catalytique fluide (FCC « Fluid Catalytic Cracking » en anglais). Ce dispositif d'introduction comporte un élément céramique amovible.

La charge d'une unité FCC peut être chargée en particules solides, tout particulièrement dans le cas de recycle de « slurry » produit par l'unité. En effet, ce slurry contient des fines de catalyseur de l'unité FCC.

L'intérêt de recycler du slurry est multiple : aide au bilan thermique, ou élimination du slurry. Cette pratique peut-être à l'origine de l'érosion des injecteurs de charge, notamment si le recycle de slurry est durable, et plus particulièrement de l'orifice d'admission de la charge à l'intérieur des injecteurs, en particulier de type à impacteur ou double impact.

Cette érosion peut être limitée par l'utilisation d'injecteurs réalisés entièrement en céramique, tel que décrit dans le document WO2016016090-A1. Bien que ces injecteurs puissent être réalisés en plusieurs parties assemblées entre elle, il peut s'avérer difficile, voire impossible, de les désolidariser pour les changer, notamment selon la nature de leur assemblage : il faut alors changer entièrement l'injecteur, en particulier lorsqu'il est nécessaire de modifier l'une des parties en fonction des conditions opératoires du procédé mis en œuvre. L'utilisation de ces injecteurs dans une unité existante nécessite en outre le remplacement des injecteurs complets de cette unité.

Il existe donc un besoin pour un orifice d'admission liquide résistant à l'érosion pouvant être facilement installé sur les injecteurs de charge, notamment de type à impacteur, sans avoir à remplacer l'injecteur complet par un modèle en céramique.

A cet effet, l'objet de l'invention concerne un dispositif d'introduction d'un liquide à l'intérieur d'un injecteur conformé pour atomiser ledit liquide en gouttelettes au moyen d'un gaz, ledit dispositif d'introduction comprenant un orifice le traversant de part en part, caractérisé en ce qu'il comprend :

- une partie interne en matériau céramique dont une surface interne définit ledit orifice traversant sur toute sa longueur,

- une partie externe en matériau métallique entourant au moins en partie la partie interne,

- les parties externe et interne présentant respectivement une surface interne et une surface externe de formes complémentaires autorisant un déplacement de la partie interne par rapport à la partie externe suivant une direction parallèle à un axe du passage traversant, lesdites surfaces interne et externes étant pourvues d'éléments de fixation coopérant pour fixer de manière réversible lesdites parties interne et externe.

Autrement dit, les éléments de fixation assurent une fixation non définitive (démontable) des parties interne et externe. Ceci permet de changer aisément la partie interne définissant l'orifice traversant, permettant d'adapter ce dernier aux conditions opératoires du procédé dans lequel l'injecteur pourvu du dispositif d'introduction doit être utilisé.

Avantageusement, la surface externe de la partie interne et la surface interne de la partie externe peuvent être des surfaces de révolution présentant un axe de révolution confondu ou parallèle à l'axe de l'orifice traversant. Ceci permet de faciliter la réalisation des parties interne et externe et de simplifier la conception des éléments de fixation.

Les éléments de fixation peuvent alors comprendre des ergots ou des encoches coopérant respectivement avec des rainures ou nervures de forme adaptée pour autoriser le déplacement des parties externe et interne entre un état de fixation et un état libéré suite à des mouvements de translation suivant une direction parallèle à l'axe de révolution et de rotation autour de l'axe de révolution.

La fixation des parties interne et externe et leur démontage peuvent alors être réalisés de manière très simple par des mouvements successifs de translation et rotation, respectivement de rotation et translation. Dans sa conception la plus simple, ce type de fixation peut alors être similaire à une fixation de type baïonnette. Dans une conception plus complexe, ce type de fixation peut assurer une fonction de « détrompeur » lors du montage, voire interdire le montage d'une partie interne non adaptée.

Quelle que soit la forme des éléments de fixation des parties interne et externe, un élément élastique peut être disposé entre les parties interne et externe de sorte à être comprimé dans une direction parallèle à l'axe de l'orifice traversant lorsque les parties interne et externe sont fixées. Ceci peut améliorer la fixation entre les parties interne et externe. Cet élément élastique peut être un ressort, un matériau polymère compressible, ou autre.

La partie externe peut présenter une surface externe destinée à être solidarisée, notamment de manière définitive, à un orifice de l'injecteur recevant le dispositif d'introduction selon l'invention.

Toutefois, avantageusement, une surface externe de la partie externe peut comprendre des éléments de fixation conformés pour assurer une fixation non définitive à cet orifice. Ceci peut permettre de séparer entièrement le dispositif d'introduction de l'injecteur de charge, par exemple pour le remplacer ou le modifier.

A titre d'exemple, ces éléments de fixation peuvent comprendre un filetage.

La partie externe est en matériau métallique, par exemple un métal ou un alliage, de préférence un acier inoxydable, ou un acier au carbone.

Le matériau céramique de la partie interne du dispositif d'introduction selon l'invention peut être choisi parmi le carbure de silicium SiC, le carbure de bore B ₄ C, le nitrure de silicium S13N4, le nitrure d'aluminium AIN, le nitrure de bore BN, l'alumine AI2O3, ou des mélanges de ceux-ci.

Avantageusement, le matériau céramique est du carbure de silicium SiC ou comprend du carbure de silicium SiC, de préférence en quantité majoritaire, par exemple en une teneur de 60% à 99,9% en poids. Le carbure de silicium présente l'avantage de posséder de bonnes propriétés mécaniques et physiques pour un coût de fabrication raisonnable.

En variante ou éventuellement en combinaison, le matériau céramique peut comprendre une matrice céramique choisie parmi le carbure de silicium SiC, le carbure de bore B ₄ C, le nitrure de silicium S13N4, le nitrure d'aluminium AIN, le nitrure de bore BN, l'alumine AI2O3, ou des mélanges de ceux-ci, matrice céramique dans laquelle sont incorporées des fibres choisies parmi des fibres de carbone et des fibres céramiques, ou des mélanges de celles-ci.

Le matériau céramique est alors un matériau composite. Un tel matériau composite peut être avantageux pour les injecteurs soumis à des contraintes d'étirement et de cisaillement. Notamment, les fibres peuvent être disposées de manière aléatoire (pseudo-isotrope) ou anisotropique. Une distribution anisotropique des fibres peut être avantageuse dans des zones particulières, par exemple les zones d'extrémité destinées à être assemblées avec un autre matériau ou avec une autre pièce du même matériau ou dans le cas de zones soumises à une contrainte d'étirement/ cisaillement importante. Lorsqu'elles sont présentes, ces fibres peuvent représenter de 0, 1 à 10% en poids du matériau composite.

Les fibres de carbone peuvent être des fibres de carbone avec les plans graphitiques orientés le long de la fibre.

Les fibres céramiques peuvent être choisies parmi les fibres d'alumine cristalline, les fibres de mullite (3AI2O3, 2S1O2), les fibres de carbure de silicium cristallin ou amorphe, des fibres de zircone, des fibres de silice-alumine, ou des mélanges de celles-ci.

De préférence, le matériau céramique composite comprend une matrice en carbure de silicium SiC, comprenant des fibres du type précité. De préférence, les fibres sont des fibres en carbure de silicium.

Avantageusement et de manière non limitative, le matériau céramique peut être un matériau céramique fritté. Ceci peut notamment faciliter la réalisation de la partie interne du dispositif d'introduction.

Dans ce cas, la partie interne du dispositif d'introduction peut être formée par exemple par moulage ou par extrusion, suivi par une cuisson, dans des conditions opératoires conventionnelles adaptées au type de céramique produit. L'étape de cuisson est éventuellement précédée d'une étape de séchage.

Avantageusement, les parois internes et/ ou externes de la partie interne du dispositif d'introduction peuvent être lisses, autrement dit, elles peuvent présenter une faible rugosité de surface. De telles parois lisses peuvent permettre d'augmenter les vitesses en service à l'intérieur de la partie interne du dispositif d'introduction. Une telle paroi lisse peut être obtenue lorsque le matériau céramique est un matériau céramique fritté.

Avantageusement et de façon non limitative, la partie interne du dispositif d'introduction peut être obtenue à partir d'une poudre de frittage relativement fine, par exemple avec un diamètre moyen de grains inférieur ou égal à 500 nm, ce qui peut conduire à des surfaces relativement lisses.

Alternativement ou en complément, la partie interne du dispositif d'introduction peut être obtenue en ajoutant au matériau principal, par exemple du SiC, un additif, choisi parmi le bore B, le silicium Si et le carbone C, ou leurs mélanges, par exemple dans une proportion variant de 0,3% à 2% en poids. Dans le cas d'un matériau SiC obtenu par frittage de poudre, un tel ajout d'additif peut permettre de diminuer la porosité et par conséquent la rugosité.

Avantageusement et de façon non limitative, l'additif peut comprendre un mélange de bore B, de silicium Si et de carbone C. Il peut ainsi se former du SiC additionnel, lequel vient boucher les pores et diminuer ainsi la rugosité.

Alternativement ou en complément, on pourra par exemple prévoir une étape de dépôt additionnel de SiC par dépôt chimique en phase vapeur ou CVD (de l'anglais « Chemical Vapor Déposition »).

L'invention concerne également un injecteur de liquide conformé pour atomiser un liquide en gouttelettes au moyen d'un gaz, comportant un corps creux présentant :

- au moins un premier orifice d'entrée de gaz destiné à être raccordé à un conduit d'alimentation d'un gaz,

au moins un deuxième orifice d'entrée de liquide destiné à être raccordé à un conduit d'alimentation de liquide,

au moins une chambre de contact ménagée à l'intérieur du corps creux et dans laquelle débouchent lesdits orifices d'entrée,

au moins un orifice de sortie pour l'évacuation du liquide atomisé hors du corps creux.

Le deuxième orifice d'entrée peut saillir ou non à l'intérieur de la chambre de contact depuis une paroi interne de celle-ci.

Selon l'invention, ledit au moins un deuxième orifice d'entrée est pourvu d'un dispositif d'introduction selon l'invention. Il est ainsi possible de modifier le dispositif d'introduction de la charge à l'intérieur de l'injecteur en remplaçant sa partie interne. Lorsque les éléments de fixation fixant le dispositif d'introduction à l'injecteur sont démontables, c'est la totalité du dispositif d'introduction qui peut être remplacée.

En particulier, ledit au moins un deuxième orifice d'entrée peut être pourvu d'éléments de fixation coopérant avec des éléments de fixation d'une surface externe de la partie externe dudit dispositif d'introduction.

L'injecteur de charge peut être un injecteur de type à « impact ». Il peut alors s'agir d'un injecteur à impacteur qui comprend un seul deuxième orifice d'entrée d'axe radial et une cible située à l'intérieur du corps en regard du deuxième orifice d'entrée. Il peut également s'agir d'un injecteur à double impact, qui comprend au moins deux deuxièmes orifices d'entrée d'axe radial agencés de sorte que les liquides sortant desdits orifices entrent en contact à l'intérieur du corps.

L'invention concerne enfin un réacteur pourvu d'au moins un injecteur selon l'invention. Ce réacteur est par exemple un réacteur de type tubulaire à flux ascendant ou descendant destiné à être utilisé dans une unité de craquage catalytique fluide.

L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels :

la figure 1 illustre une représentation schématique en coupe d'un injecteur selon un mode de réalisation ;

- la figure 2 illustre une représentation schématique en coupe d'un injecteur selon un autre mode de réalisation ;

la figure 3 représente une vue en coupe d'un dispositif d'introduction selon un mode de réalisation ;

la figure 4 représente une vue en coupe d'un dispositif d'introduction selon un autre mode de réalisation ;

la figure 5 représente une vue en coupe de la figure 3 selon la ligne A-A.

La figure 1 représente schématiquement un injecteur 10 lequel présente un corps creux 12, ici cylindrique.

Ce corps creux 12 présente :

un premier orifice 14 d'entrée de gaz, destiné à être raccordé à un conduit d'alimentation d'un gaz, un deuxième orifice 16 d'entrée de liquide, destiné à être raccordé à un conduit d'alimentation de liquide,

un orifice de sortie 18 pour l'évacuation du liquide atomisé, une chambre de contact 20 ménagée à l'intérieur du corps creux 12 et dans laquelle débouchent les orifices d'entrée 14, 16.

L'injecteur 10 représenté sur la figure 1 est communément appelé de type « impacteur». Ici, la chambre de contact 20 se présente sous la forme une conduite interne rectiligne reliant le premier orifice d'entrée 14 à l'orifice de sortie 18 suivant une direction axiale dudit corps. La chambre de contact 20 présente un diamètre interne sensiblement constant.

L'injecteur comprend notamment une cible 22 s 'étendant en saillie d'une paroi interne 24 de la chambre de contact 20 en regard de l'orifice 16 d'introduction du liquide et au travers du passage du gaz.

Le liquide est projeté contre la cible 22 dès son entrée dans la chambre de contact 20 par l'orifice 16. Le jet de liquide éclate et est emporté sous forme de gouttelettes par un courant de gaz d'atomisation introduit par l'orifice 14 à haute vitesse. L'atomisation du liquide dans ce type d'injecteur 10 s'effectue en deux fois. Une première partie de l'atomisation se produit au niveau de la cible 22 par un éclat du jet de liquide. La deuxième partie de l'atomisation se produit au niveau de l'orifice de sortie 18 de diamètre réduit, où le rétrécissement du diamètre accélère les fluides.

La figure 2 représente un autre type d'injecteur 1 10. Ce dernier comporte un corps creux 1 12, lequel présente :

un premier orifice 1 14 d'entrée de gaz, destiné à être raccordé à un conduit d'alimentation d'un gaz,

deux deuxièmes orifices 1 16, 1 17 d'entrée de liquide, destinés à être raccordés à un ou deux conduits d'alimentation de liquide,

un orifice de sortie 1 18 pour l'évacuation du liquide atomisé,

une chambre de contact 120 ménagée à l'intérieur du corps creux 1 12 et dans laquelle débouchent les orifices d'entrée 1 14, 1 16, 1 17.

L'injecteur 1 10 est également du type « impacteur », mais le jet de liquide n'impacte pas sur une cible mais sur un autre jet de liquide. Ainsi, les deuxièmes orifices 1 16, 1 18 sont disposés en regard l'un de l'autre de sorte que les jets de liquide en sortant s'impactent à l'intérieur de la chambre de contact 120, sensiblement en regard de l'orifice d'entrée du gaz 1 14. Dans ce mode de réalisation, la chambre de contact 120 se présente également sous la forme d'une conduite interne rectiligne reliant le premier orifice d'entrée 1 14 à l'orifice de sortie 1 18 suivant une direction axiale dudit corps, avec un diamètre interne sensiblement constant.

L'invention n'est toutefois pas limitée à un type d'injecteur de liquide particulier, pourvu que cet injecteur reçoive un liquide à atomiser via un ou plusieurs orifices.

Selon l'invention, le deuxième orifice 16 de l'injecteur 10 ou les deuxièmes orifices 1 16, 1 17 de l'injecteur 1 10 sont pourvus d'un dispositif d'introduction 30 du liquide. Ces dispositifs d'introduction 30 sont représentés schématiquement par des traits pointillés sur les figures 1 et 2. Ils sont décrits plus en détail en référence aux figures 3 à 5.

Dans le mode de réalisation représenté figure 3, le dispositif d'introduction 30 comprend un orifice 32 le traversant de part en part et destiné au passage du liquide à introduire dans l'injecteur en vue de son atomisation.

Ce dispositif d'introduction 30 comprend :

- une partie interne 34 en matériau céramique,

- une partie externe 36 en matériau métallique entourant au moins en partie la partie interne 34.

Les matériaux utilisables sont ceux précédemment décrits.

La partie interne 34 présente une surface interne 34i et une surface externe 34e. La surface interne 34i définit l'orifice traversant 32 sur toute sa longueur.

La partie externe 36 présente une surface interne 36i et une surface externe 36e. La surface externe 36e est ici pourvue de premiers éléments de fixation 38 conformés pour coopérer avec des éléments de fixation d'un deuxième orifice 16, respectivement 1 16, 1 17 des injecteurs 10 et 1 10. A noter que cette surface externe 36e pourrait être solidaire du deuxième orifice. Notamment, la partie externe pourrait faire partie de l'orifice. La surface interne 36i de la partie externe 36 et la surface externe 34e de la partie interne 34 sont en outre de formes complémentaires autorisant un déplacement de la partie interne 34 par rapport à la partie externe suivant une direction parallèle à l'axe X de l'orifice traversant 32. Ces surfaces interne 36i et externe 34e sont pourvues de deuxièmes éléments de fixation coopérant pour fixer de manière réversible les parties interne 34 et externe 36. Il est ainsi possible de désolidariser ces parties afin de changer l'une ou l'autre des parties.

Dans l'exemple représenté figure 3, la surface externe 34e de la partie interne 34 et la surface interne 36i de la partie externe 36 sont des surfaces de révolution présentant un axe de révolution confondu avec l'axe X de l'orifice traversant 32. La surface externe 36e de la partie externe 36 présente également une symétrie de révolution par rapport à cet axe X. Les premiers éléments de fixation 38 sont ici un filetage coopérant avec un filetage (non représenté) interne aux deuxièmes orifices 16, 1 16, 1 17 permettant ainsi un vissage de la partie externe 36 à l'intérieur des orifices 16, 1 16, 1 17. Il est ainsi possible de fixer de manière non définitive le dispositif d'introduction 30 à l'injecteur 10 ou 1 10.

Dans l'exemple représenté figure 3, les deuxièmes éléments de fixation comprennent des ergots ou des encoches coopérant respectivement avec des rainures ou nervures de forme adaptée pour permettre de déplacer les parties externe et interne entre un état de fixation des parties externe et interne, dans lequel ces éléments sont solidaires, et un état libéré de ces éléments dans lequel ils peuvent être séparés l'un de l'autre. Le passage d'un état à l'autre s'effectue suite à des mouvements de translation suivant une direction parallèle à l'axe de révolution X et de rotation autour de l'axe de révolution X.

Plus précisément, dans cet exemple, la partie externe 36 présente des ergots 40 qui font saillie de sa surface interne 36i perpendiculairement à l'axe de révolution X, en direction de celui-ci (radialement) . Ces ergots 40 coopèrent avec des rainures 42 ménagées dans la surface externe 34e la partie interne 34. Ces rainures 42 ont par exemple une forme en L, dont une partie s'étend parallèlement à l'axe X depuis le bord de l'orifice 32, autorisant l'insertion de la partie interne 34 à l'intérieur de la partie externe 36 suivant une translation d'axe X, l'extrémité de la rainure 42 bifurquant à angle droit afin de permettre par une rotation de la partie interne 34 par rapport à la partie externe 36 et son blocage. La figure 5 représente une vue en coupe transversale des parties interne et externe, avant rotation de la partie interne.

L'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation particulier : les ergots 40 pourraient faire partie de la partie interne et les rainures être réalisées sur la partie externe. On pourrait également envisager de remplacer les ergots par des encoches coopérant non plus avec des rainures mais avec des nervures parallèles à l'axe X dont la longueur est choisie pour que la rotation des parties l'une par rapport à l'autre permette un appui de l'extrémité des nervures sur la périphérie sans encoche de l'autre partie. L'invention n'est pas non plus limitée à un nombre particulier de nervures/ rainures et encoches/ ergots.

On notera que dans l'exemple de la figure 3, la partie externe 36 prend appui sur un rebord 35 de la partie interne 34. Ce rebord 35 forme ainsi une butée.

L'exemple représenté sur la figure 4 diffère de celui de la figure 3 essentiellement par les formes de la surface interne 36i de la partie externe 36 et de la surface externe 34e de la partie interne 34 et par la position des ergots 40. En conséquence, les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références.

Dans ce mode de réalisation, un élément élastique 44 est disposé entre les parties interne 34 et externe 36 de sorte à être comprimé dans une direction parallèle à l'axe X de l'orifice 32 lorsque les parties interne et externe sont fixées.

Dans l'exemple, l'élément élastique 44 se présente sous la forme d'un ressort logé dans un logement annulaire 46 à section en U ménagé dans la surface interne 36i. Cet élément élastique 44 vient en appui sur la surface externe 34e de la partie interne 34 et est comprimé lorsque les ergots 40 sont bloqués dans les rainures correspondantes de la partie interne. L'élément élastique 44 permet ainsi de maintenir en position les parties interne 34 et externe 36 dans l'état de fixation malgré les vibrations, déplacements et autres mouvements transmis par l'injecteur.

L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, lesquels peuvent être combinés. L'invention est particulièrement adaptée à l'injection d'une charge d'hydrocarbures, notamment dans une unité FCC, mais pourrait être adaptée à l'injection de toute charge liquide à atomiser susceptible d'éroder un injecteur.