FR3001899A1

FR3001899A1 - Dispositif d'injection et de melange de fluides dans un reacteur a ecoulement descendant.

Info

Publication number: FR3001899A1
Application number: FR1351185A
Authority: FR
Inventors: Yacine Haroun; Frederic Augier
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2013-02-12
Filing date: 2013-02-12
Publication date: 2014-08-15
Anticipated expiration: 2033-02-12
Also published as: US20140224707A1; US9452411B2; FR3001899B1

Abstract

Le réacteur catalytique à écoulement descendant comporte une enceinte (1) renfermant au moins deux lits de catalyseur solide (2; 11) séparés par une zone intermédiaire comportant un plateau de collecte sensiblement horizontal (5) communiquant avec une conduite de collecte verticale (7) pour recevoir les fluides collectés par le plateau de collecte, un moyen d'injection d'un fluide (8) de trempe débouchant dans ladite conduite de collecte. Une chambre de mélange annulaire (9) est située en dessous du plateau de collecte (5), ladite chambre comprenant une extrémité d'entrée (6) directement reliée à ladite conduite de collecte (7) et une extrémité de sortie (10) pour évacuer les fluides. Un plateau de prédistribution (11) est disposé en dessous de ladite chambre (9) à une distance d2, le plateau comportant une pluralité de perforation et comprenant au moins une cheminée (13). Le réacteur est caractérisé en ce que le moyen d'injection (8) comprend une portion tubulaire débouchant dans ladite conduite de collecte (7) de manière à injecter le fluide de trempe selon une direction formant un angle θ avec la direction D de l'axe de la chambre de mélange mesuré à l'extrémité d'entrée, l'angle θ étant compris entre 45° et 135°.

Description

Domaine de l'invention L'invention s'applique dans le domaine des réactions exothermiques et plus particulièrement aux réactions d'hydrotraitement, d'hydrodésulfuration, d'hydrogéazotation, d'hydrocraquage, d'hydrogénation et d'hydrodéaromatisation réalisé dans un réacteur. La présente invention concerne un dispositif d'injection et de mélange d'un fluide de trempe dans un réacteur à écoulement descendant et son utilisation pour la réalisation de réactions exothermiques. L'invention concerne également un réacteur comprenant un dispositif compact de mélange.

Examen de l'art antérieur Les réactions exothermiques réalisées en raffinage et/ou en pétrochimie nécessitent d'être refroidies par un fluide additionnel pour éviter un emballement thermique du réacteur dans lequel elles sont effectuées. Il est également nécessaire de garder un gradient de température homogène au sein du réacteur afin d'éviter l'existence de points chauds dans le lit de catalyseur. Ces points chauds peuvent diminuer prématurément l'activité du catalyseur. Ils conduisent également à des réactions non sélectives. Il est donc important de disposer d'au moins une chambre de mélange dans un réacteur qui permette une répartition homogène en température des fluides et un refroidissement des fluides réactionnels à une température désirée. Pour effectuer cette homogénéisation l'homme de l'art est souvent conduit à utiliser un agencement spécifique d'internes dans un réacteur permettant une introduction du fluide de trempe la plus homogène possible dans la section du réacteur.

Par exemple, le document FR-A-2,824,495 décrit un dispositif de trempe permettant d'assurer un échange efficace entre le ou les fluide(s) de trempe et le ou les fluide(s) du procédé. Ce dispositif est intégré dans une enceinte et comprend une canne d'injection du fluide de trempe, un baffle de collecte des fluides, la boite de trempe proprement dite, opérant le mélange entre le fluide de trempe et l'écoulement descendant, et un système de distribution composé d'une cuvette perforée et d'un plateau distributeur. La boîte de trempe comporte un déflecteur assurant la mise en mouvement tourbillonnaire des fluides selon une direction sensiblement non radiale et non parallèle à l'axe de ladite enceinte et en aval du déflecteur, dans le sens de circulation du fluide réactionnel, au moins une section de passage de sortie du mélange de fluides formé dans la boîte. Ce dispositif permet de pallier certains inconvénients des différents systèmes de l'art antérieur mais reste très encombrant. Certains dispositifs actuels permettent de réduire cet encombrement. Par exemple, les documents US 6,881,387; EP-B-1,721,660 et US 6,180,068 décrivent des boites de mélange plus plates que celles de l'art antérieur. Cependant ces boîtes de trempe comprennent encore beaucoup d'internes qui, pour être efficaces, sont susceptibles de produire de fortes pertes de charge. Le document US2011/0123410 décrit un dispositif de mélange de fluide disposé entre deux lits de catalyseur contenu dans un réacteur à écoulement descendant. Le mélange entre les fluides en écoulement dans le réacteur et le fluide de trempe injecté dans le dispositif de mélange est effectué dans une chambre annulaire de mélange. La présente invention a donc pour objet de perfectionner le mélange de fluides effectué par le dispositif de mélange de fluide décrit par le document US2011/0123410 en proposant d'injecter le fluide de trempe selon une direction formant un angle entre 45° et 135°, de préférence sensiblement perpendiculaire, à la direction de l'axe de la chambre de mélange. Description sommaire de l'invention De manière générale, l'invention a pour objet un réacteur catalytique à écoulement descendant comportant une enceinte renfermant au moins deux lits de catalyseur solide séparés par une zone intermédiaire comportant un dispositif de mélange de fluides, le dispositif comprenant : au moins un plateau de collecte sensiblement horizontal communiquant avec une conduite de collecte verticale pour recevoir les fluides collectés par le plateau de collecte, au moins un moyen d'injection d'un fluide de trempe débouchant dans ladite conduite de collecte, une chambre de mélange annulaire située en dessous de plateau, ladite chambre comprenant une extrémité d'entrée directement reliée à ladite conduite de collecte et une extrémité de sortie pour évacuer les fluides, et un plateau de prédistribution comportant une pluralité de perforation et comprenant au moins une cheminée, ledit plateau situé en dessous de ladite chambre. Le réacteur est caractérisé en ce que le moyen d'injection comprend une portion tubulaire débouchant dans ladite conduite de collecte verticale, ladite portion tubulaire ayant un axe droit formant un angle 0 avec une direction D de l'axe de la chambre de mélange, la direction D étant mesurée au niveau de ladite extrémité d'entrée, l'angle 0 étant compris entre 45° et 135°. Selon l'invention, l'axe de la portion tubulaire peut être sensiblement horizontal.

L'angle 0 peut être compris entre 80° et 100°.

La conduite de collecte verticale peut avoir une section circulaire et le moyen d'injection peut être disposé de manière à ce que la distance hl comprise entre l'axe de la portion tubulaire et l'axe de la conduite de collecte verticale soit compris entre 0 et le rayon de ladite conduite de collecte verticale.

Par exemple, la distance hl peut être égale à 0 de manière à ce que l'axe de la portion tubulaire croise l'axe de la conduite de collecte verticale. Alternativement, la distance hl peut être égale à environ le rayon de ladite conduite de collecte verticale de manière à ce que l'axe de la portion tubulaire soit tangent à la paroi de la conduite de collecte verticale. Ledit plateau peut être situé en dessous de ladite chambre à une distance d2 comprise entre 0 et 100 mm. Par exemple, la distance d2 peut être égale à 0 mm, la chambre de mélange annulaire étant en contact avec le plateau de distribution. De préférence, la distance d2 est comprise entre 0,25 et 100 mm, de préférence entre 0,5 et 5 mm. La chambre de mélange annulaire peut être positionnée à la périphérie de l'enceinte du réacteur.

Ladite chambre annulaire peut être constituée d'une portion de conduite ayant un axe en forme d'arc de cercle. La chambre de mélange annulaire peut être positionnée à une distance dl de l'enceinte du réacteur, la distance dl variant de 0,5% à 25% du diamètre de l'enceinte du réacteur. Le diamètre d de ladite chambre de mélange annulaire peut être compris entre 0,05 et 0,5 m, de préférence entre 0,1 et 0,3 m, de manière encore plus préférée entre 0,15 et 0,25 m. La longueur de ladite chambre de mélange annulaire peut être comprise entre 90 et 270 degrés, plus préférentiellement entre 100 et 250 degrés; de manière encore plus préférée 130 et 200 degrés. Le réacteur peut comporter, en outre, un plateau de distribution sensiblement horizontal, positionné en-dessous du plateau de prédistribution. Le réacteur selon l'invention peut être mis en oeuvre dans un procédé dans lequel on fait circuler du haut vers le bas dudit réacteur au moins un fluide réactionnel à travers au moins un lit de catalyseur, et dans lequel on injecte un fluide de trempe dans ledit moyen d'injection. Description sommaire des figures La figure 1 représente une coupe axiale d'un réacteur multi-lits à écoulement descendant comprenant le dispositif compact de mélange selon l'invention. La flèche en gras représente le sens d'écoulement des fluides dans le réacteur.

Les figures 2 et 3 représentent une vue du dessus du dispositif compact de mélange selon la coupe représentée par la ligne A-A' en pointillé. Les figures 3A, 3B, 3C et 3D représentent une vue des différentes dispositions du moyen d'injection du fluide de trempe, selon l'invention.

Les figures 4A et 4B représentent une vue de différentes dispositions du moyen d'injection du fluide de trempe, non conforme à l'invention. La figure 5 présente l'efficacité de mélange thermique diphasique entre les phases liquide et vapeur de différents dispositif, en fonction de l'angle d'injection 0 du fluide de trempe. La figure 6 présente l'efficacité de mélange thermique de la phase liquide de différents dispositifs en fonction de l'angle d'injection O. Description détaillée de l'invention La figure 1 représente une portion de réacteur selon un mode de réalisation de l'invention, dans lequel on effectue des réactions exothermiques telles que des réactions d'hydrotraitement, d'hydrodésulfu ration, d'hydrogéazotation, d'hydrocraquage, d'hydrogénation et d'hydrodéaromatisation. Le réacteur est composé d'une enceinte 1 renfermant au moins un lit de solide catalyseur 2. En général l'enceinte a une forme allongée le long d'un axe sensiblement vertical. Par exemple l'enceinte 1 a la forme d'un cylindre fermé à ses extrémités, l'axe du cylindre étant orienté selon une direction verticale. Le cylindre peut avoir un diamètre compris entre 1 et 10 mètres et une hauteur comprise entre 3 et 20 mètres. Le réacteur est alimenté en partie supérieure en fluide réactionnel, composé d'un gaz ou d'un liquide ou d'un mixte contenant du liquide ou du gaz, par exemple une charge d'hydrocarbures au moins en partie liquide et de l'hydrogène gazeux. On fait circuler, notamment sous l'effet de la gravité, du haut vers le bas du réacteur le fluide réactionnel (ou fluide de process, selon la terminologie anglo-saxonne) à travers au moins le lit de catalyseur 2. En d'autres termes, le gaz et le liquide s'écoulent à co-courant du haut vers le bas dans le réacteur. La réaction entre les réactifs est catalysée par un solide catalyseur, qui peut être sous forme d'extrudés ou de billes disposées entre deux grilles pour former un lit qui s'étend en général sur toute la section horizontale du volume intérieur de l'enceinte 1. Du fait de la réaction exothermique, le volume de solide catalyseur est divisé en plusieurs lits. Sur la figure 1, deux lits 2 et 14 de catalyseurs solides sont représentés. Dans la présente description, l'aval et l'amont sont définis par rapport au sens de l'écoulement du fluide réactionnel.

Le lit 2 de solide catalyseur est supporté par une grille 3. Eventuellement, le lit 2 peut être posé sur une couche de grains solides inertes, couramment nommé "grading", qui repose elle-même sur la grille 3. Un espace vide 4 est situé entre la grille 3 et le plateau de collecte 5. Le fluide réactionnel circulant à travers le lit 2 débouche dans l'espace vide 4 appelé ci-après l'espace de collecte. Le plateau de collecte 5 permet de collecter le fluide réactionnel arrivant dans l'espace de collecte 4. Par exemple, le plateau de collecte est un disque, par exemple horizontal, qui couvre la section interne de l'enceinte 1.

Le plateau de collecte 5, couramment nommé "baffle", et connecté à une conduite de collecte 7 qui s'étend selon un axe sensiblement verticale. Par "sensiblement vertical(e)", respectivement par "sensiblement horizontal(e)", on entend au sens de la présente invention une variation de l'inclinaison d'un plan ou d'une droite avec la verticale, respectivement avec l'horizontale, d'un angle a compris entre ± 5 degrés. Le plateau de collecte 5 comporte une ouverture 0 qui est reliée à la conduite de collecte 7. La conduite de collecte 7 est donc située en-dessous du plateau de collecte. Le plateau de collecte 5 sert à recueillir l'écoulement du fluide réactionnel provenant du lit catalytique 2 amont et dirige ce fluide vers la conduite de collecte 7. Le plateau de collecte 5 est distant de la grille 3 du lit catalytique d'une hauteur H1 créant l'espace de collecte 4. Cet espace 4 permet le drainage du fluide réactionnel jusqu'au plateau de collecte 5 et à ladite conduite 7. La hauteur H1 peut être choisie de manière à limiter la perte de charge lors de la collecte du fluide s'écoulant du lit de catalyseur 2 et à limiter la hauteur de garde. La hauteur de garde ne doit pas modifier le drainage du fluide réactionnel vers la conduite de collecte 7, ni son écoulement dans cette conduite 7. Dans un mode de réalisation de l'invention, la hauteur H1 est comprise entre 30 et 200 mm, de préférence entre 30 et 150 mm, de manière encore plus préférée entre 40 et 100 mm. Selon un mode de réalisation de l'invention, la hauteur H1 est égale à 100 mm. La conduite de collecte 7 débouche dans une chambre de mélange annulaire 9 au niveau de l'extrémité d'entrée de ladite chambre. Cette conduite 7 dirige l'écoulement du fluide réactionnel et d'un fluide de trempe, décrit ci-après, dans la chambre de mélange 9. Le diamètre de la conduite de collecte verticale 7 est choisi de manière à limiter les pertes de charge. Par exemple, le diamètre peut être choisi de manière à limiter la vitesse d'écoulement, dans ladite conduite de collecte 7, du (ou des) fluide(s) réactionnel(s) provenant du lit de catalyseur 2 situé en amont du plateau de collecte 5. Préférentiellement, la vitesse desdits fluides dans la conduite 7 est limitée à une valeur comprise entre 2 et 5 °m.s-1. Un fluide de trempe est injecté par un moyen d'injection 8 dans la conduite de collecte verticale 7. Le moyen d'injection est composé d'une portion tubulaire qui débouche dans la conduite de collecte verticale 7. Il peut être un piquage latéral, ou une buse, ou une portion de conduite. Le fluide de trempe peut être liquide ou gazeux ou mixte contenant du liquide ou du gaz. Par exemple le fluide de trempe peut être de l'hydrogène.

La figure 2 représente le moyen d'injection 8, la conduite de collecte 7, la chambre de mélange 9 vus en coupe selon l'axe AA' de la figure 1. La référence 6 désigne l'intersection entre la chambre de mélange 9 et la conduite de collecte 7. La référence 10 désigne l'orifice de sortie de la chambre de mélange 9.

Selon l'invention, l'extrémité du moyen d'injection 8 comporte une portion de tube dont l'axe, en forme de droite, s'étend dans une direction qui forme un angle 0 compris entre 45° et 145° par rapport à la direction de l'axe de la chambre de mélange annulaire 9, la direction de l'axe de la chambre 9 étant mesurée au niveau de la connexion 6 entre la conduite 7 et la chambre 9.

La figure 3 représente un agrandissement de la conduite de collecte 7 vue selon une coupe du réacteur représenté par la figure 1 selon l'axe AA'. La forme et, éventuellement, les dimensions du tuyau formant l'extrémité du moyen d'injection 8 sont choisies de manière à ce que la direction de l'axe droit du tuyau 8 soit dirigée selon une direction, de préférence, sensiblement horizontale. De plus, la forme et, éventuellement, les dimensions du tuyau formant l'extrémité du moyen d'injection 8 sont choisies de manière à ce que la direction de l'axe droit du tuyau 8 forme un angle 0 compris entre 45° et 145°, de préférence compris entre 80° et 100°, voire compris entre 85° et 95°, par rapport à la direction D correspondant à la direction de l'axe de la chambre de mélange annulaire 9 au niveau de la connexion 6 entre la conduite de collecte 7 et la chambre 9. Autrement dit, l'axe de l'extrémité du conduit 8 connectée à la conduite de collecte 7 forme l'ange 0 par rapport à la direction D de l'axe de la chambre de mélange 9 mesuré au niveau de la connexion 6 entre la conduite 7 le la chambre 9. De préférence, l'extrémité du conduit 8 est une portion tubulaire droite, c'est-à-dire une portion de tube dont l'axe s'étend selon une droite. L'angle 0 peut être mesuré en valeur absolu sans tenir compte du sens de mesure.

L'axe de la conduite d'injection 8 peut être situé à différente distance hl du centre, c'est-à-dire de l'axe, de la conduite de collecte 7. hl correspond à la plus petite distance mesurée entre l'axe de l'extrémité de la conduite d'injection 8 et l'axe de la conduite 7. La distance hl peut varier entre les valeurs 0 et r, r étant la valeur du rayon de la conduite de collecte 7 dans le cas où la conduite est de section circulaire. Par exemple lorsque la distance hl est égale à 0, l'axe de la conduite d'injection 8 coupe ou intersecte l'axe de la conduite de collecte 7. Lorsque la distance hl est environ égale à r, la conduite 8 est tangente à la paroi de la conduite de collecte 7. Les figures 3A, 3B, 3C et 3D représentent différentes dispositions du moyen d'injection 8 selon l'invention.

En référence à la figure 3A, l'axe de la conduite d'injection 8 forme un angle 0 de 90° par rapport à la direction D de l'axe de la conduite 9 au niveau de la connexion 6 entre la conduite 9 et la conduite 7. De plus, l'axe de la conduite d'injection 8 est situé à une distance hl environ égale environ au rayon de la conduite 7. En d'autres termes, la conduite d'injection 8 est tangente à la paroi de la conduite de collecte 7. En référence à la figure 3B, l'axe de la conduite d'injection 8 forme un angle 0 de 90° par rapport à la direction D de l'axe de la conduite 9 au niveau de la connexion 6 entre la conduite 9 et la conduite 7. De plus, l'axe de la conduite d'injection 8 croise l'axe de la conduit 7, c'est-à-dire que la distance hl est environ nulle. En référence à la figure 3C, l'axe de la conduite d'injection 8 forme un angle 0 de 60° par rapport à la direction D de l'axe de la conduite 9 au niveau de la connexion 6 entre la conduite 9 et la conduite 7. L'axe de la conduite d'injection 8 croise l'axe de la conduite 7, c'est-à-dire que la distance hl est environ nulle. Sans sortir du cadre de la présente invention, la conduite d'injection 8 peut déboucher dans la conduit 7 par le coté de la conduit 7 faisant face au centre du réacteur comme illustré par la figure 3D. Néanmoins, selon l'invention, la portion de tube de la conduite d'injection 8 débouchant dans la conduite 7 forme un angle 0 de 90° par rapport à la direction D de l'axe de la conduite 9 au niveau de la connexion 6 entre la conduite 9 et la conduite 7. De plus, l'axe de la conduite d'injection 8 croise l'axe de la conduite 7, c'est-à-dire que la distance hl est environ nulle. Le fait de diriger le jet de fluide de trempe selon un angle 0 compris entre 45° et 145°, de préférence compris entre 80° et 100°, voire compris entre 85° et 95° permet de créer un phénomène de recirculation, ou tourbillon, des fluides dans la conduite 7 ce qui a pour effet d'améliorer le mélange entre les fluides réactionnels collectés par le plateau de collecte 5 et le fluide de trempe injecté par le conduit 8. Par ailleurs, le moyen d'injection 8 se situe à n'importe quelle hauteur dans la conduite de collecte 7 à partir de l'ouverture 6. Préférentiellement le moyen d'injection se situe au niveau de la connexion de la conduite de collecte 7 avec l'extrémité 6 d'entrée de la chambre de mélange annulaire 9. En référence aux figures 1 et 2, la chambre de mélange annulaire 9 permet le mélange du fluide réactionnel avec le fluide de trempe. Ladite chambre 9 a une forme toroïdale incomplète. Elle est formée par un tube recourbé dont l'axe s'étend selon un arc de cercle. Elle comprend donc deux extrémités distinctes l'une de l'autre: une extrémité 6 dite d'entrée et une extrémité dite de sortie 10, opposée à l'extrémité d'entrée. Dans la présente description, l'extrémité 6 est également appelée connexion entre la conduite de collecte 7 et la chambre de mélange 9. L'extrémité d'entrée 6 est reliée à la conduite de collecte 7 et l'extrémité de sortie 10 est ouverte et permet au mélange de fluides de s'écouler sur le plateau de prédistribution 11. L'extrémité de sortie 10 est positionnée suivant la direction radiale de l'enceinte 1 du réacteur. En d'autres termes, l'extrémité de sortie 10 est inscrite dans un plan vertical qui est parallèle à une direction radiale de l'enceinte 1 du réacteur. Ainsi les fluides sortants de l'extrémité de sortie 10 sont projetés dans la direction tangentielle de la section de l'enceinte 1 du réacteur. Cette disposition permet de maintenir un écoulement rotatif du mélange des fluides sur le plateau de prédistribution 11. Grâce à cet écoulement rotatif, le ou les fluides réactionnels et le fluide de trempe peuvent continuer à se mélanger sur le plateau de prédristibution 11. Le diamètre et la longueur de la chambre de mélange annulaire 9 sont choisis de manière à garantir un bon mélange entre le fluide issu du lit 2 et le fluide de trempe injecté par le moyen 8, tout en limitant la perte de charge dans la conduite de collecte et l'encombrement dans le réacteur. La longueur de la chambre de mélange annulaire est définie par l'angle formé par les plans passant par les deux extrémités de ladite chambre. La longueur de ladite chambre est comprise entre 90 et 270 degrés. De manière préférée, la longueur de ladite chambre est comprise entre 100 et 200 degrés, 100 et 250 degrés, de manière encore plus préférée 100 et 180 degrés, 130 et 200 degrés. Selon un mode préférentiel, la chambre de mélange 9 selon l'invention a la forme d'un tore ouvert, la section de ladite chambre est un cercle. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la section de ladite chambre peut être ovale ou rectangulaire. Quelle que soit la forme de la section de la chambre de mélange annulaire, le diamètre (ou la hauteur) d de ladite chambre sera choisie de manière à limiter au maximum la perte de charge et de manière à limiter l'encombrement spatial dans le réacteur. Ce diamètre d est compris entre 0,05 et 0,5 m, plus préférentiellement entre 0,1 et 0,3 m, préférentiellement entre 0,15 et 0,4 m, encore plus préférentiellement entre 0,15 et 0,25 m, encore plus préférentiellement entre 0,1 et 0,35 m. La perte de charge du dispositif de mélange selon l'invention dépend uniquement de la hauteur d de la chambre annulaire de mélange. Cette perte de charge suit une loi classique de perte de charge et peut être définie par l'équation suivante: AP p V' x (1) 2 " où AP est la perte de charge, p, la densité moyenne du mélange gaz+liquide dans la chambre de mélange annulaire, V, la vitesse moyenne du mélange gaz+liquide et x est le coefficient de perte de charge associé au dispositif de mélange. Ce coefficient a été mesuré à une valeur de 2 quelles que soient les conditions d'écoulement. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le diamètre sera le plus petit possible afin de limiter l'encombrement de la chambre de mélange annulaire sur la plaque de prédistribution et d'avoir un mélange plus efficace en sortie de ladite chambre. Pour ces raisons, il sera préféré d'utiliser le plus petit diamètre d possible permettant de respecter un éventuel critère de perte de charge maximale. La gamme préférentielle de perte de charge lors du dimensionnement de dispositifs industriels est 0,05 bars < AP'x < 0,5 bars (1 bar = 105 Pa). Les fluides ont un mouvement rotationnel (ou de swirling selon la terminologie anglo-saxonne) dans la chambre de mélange annulaire 9. Ce mouvement favorise le mélange et l'homogénéité en température des fluides réactionnels et du fluide de trempe. La chambre de mélange annulaire 9 est positionnée à la périphérie de l'enceinte du réacteur et en amont du plateau de prédistribution dans le sens d'écoulement des fluides. Ce positionnement de ladite chambre permet de maximiser sa longueur et d'obtenir un gain de place dans le réacteur. La chambre de mélange annulaire ayant une forme courbée, elle longe l'enceinte du réacteur à une distance d1. Afin que le dispositif compact de mélange selon l'invention encombre le moins possible l'espace du réacteur, la distance dl sera comprise entre 0,5% et 25% du diamètre du réacteur, préférentiellement entre 0,5% et 10% du diamètre du réacteur, encore plus préférentiellement entre 1% et 5% du diamètre du réacteur.

Dans un mode préféré de réalisation, ladite chambre est en contact direct avec ledit plateau de prédistribution 11. Dans cette configuration, la chambre de mélange annulaire est donc posée directement sur le plateau de prédistribution. Dans un autre mode de réalisation, ladite chambre se situe à une distance d2 du plateau de prédistribution 11. Dans ce cas, ladite chambre sera fixée sur le plateau par des moyens de fixations bien connus de l'homme du métier tels que des pieds creux. Ces pieds seront positionnés dans le sens de l'écoulement du mélange. La distance d2 varie entre 0 et 100 mm, plus préférentiellement entre 0,25 et 100 mm, plus préférentiellement entre 0 et 50 mm, encore plus préférentiellement 0,5 et 30 mm, encore plus préférentiellement entre 0,5 et 5 mm. Le positionnement de la chambre de mélange annulaire 9 en périphérie du réacteur et amont du plateau de prédistribution permet également un écoulement tangentiel du mélange des fluides en dessus ou sur de plateau de prédistribution, suivant le mode de réalisation de l'invention. Cet écoulement tangentiel au dessus dudit plateau permet d'optimiser l'efficacité du mélange. En effet, le mélange entre le fluide réactionnel et le fluide de trempe continue de s'effectuer au niveau du plateau de prédistribution contrairement aux dispositifs de mélange décrits dans l'art antérieur dans lesquels le mélange ne se fait que dans la chambre de trempe. Ainsi l'efficacité du dispositif compact de mélange selon l'invention est augmentée. On obtient un mélange homogène en température et en concentration des deux fluides sur le plateau de pré-distribution 11. Le plateau de pré-distribution 11 situé sous la chambre de mélange annulaire 9 se compose d'une plaque perforée et de une ou plusieurs cheminées 13. La ou les cheminées 13 sont situées de manière préférée au centre du plateau de prédistribution pour ne pas gêner l'écoulement rotatif du mélange de fluides sur le plateau 11. Le design de cette plaque est optimisé de façon à diminuer la perte de charge et à produire une garde liquide de quelques centimètres. A titre d'exemple non limitatif, le plateau de pré-distribution est perforé par des trous de 10 mm, par exemple disposés suivant un pas triangulaire. Le plateau de prédistribution 11 s'étend radialement sur toute la surface du réacteur et est disposé dans le plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'enceinte. Il permet une première séparation du mélange, le liquide s'écoule au travers desdits trous dans le plateau 11 et le gaz s'écoule au travers de la ou des cheminées 13. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de mélange selon l'invention comprend en outre un plateau de distribution 12 disposé en aval, c'est-à-dire en-dessous du plateau de prédistribution 11. Le plateau 12 est muni d'une pluralité de moyens mélangeurs et distributeurs qui permettent de réaliser une distribution homogène du fluide réactionnel refroidi sur toute la section du lit catalytique 14 située en aval. Les moyens mélangeurs et distributeurs peuvent être composés de cheminées qui sont chacune munie de plusieurs orifices situés à différentes hauteurs pour permettre le passage et le mélange du gaz et du liquide. Par exemple le plateau 12 peut être réalisé selon l'enseignement du document WO- A-2003/039733. Les exemples présentés ci-après permettent de comparer les performances d'une injection d'un fluide de trempe dans un réacteur selon l'invention par rapport à une injection non conforme à l'invention. On simule l'écoulement de deux fluides dans la chambre de mélange annulaire selon quatre configurations différentes en utilisant un logiciel de mécanique des fluides (Fluent 14, développé par la société ANSYS Inc, Canonburg, USA). Les simulations numériques ont porté sur l'analyse des phénomènes de mélange dans la chambre de mélange annulaire. Deux simulations N°1 et N°2 ont porté sur les configurations représentées respectivement par les figures 3A et 3B, conformes à l'invention. Deux simulations N°3 et N°4 ont porté sur la configuration présentée par la figures 3C dans laquelle 0 prend soit la valeurs 45° soit la valeur 135°.

La simulation N°5 a porté sur la configuration présentée par la figure 3D. Par convention, la valeur de 0 est égale à -90°. Deux simulations N°6 et N°7 ont respectivement porté sur les configurations représentées par les figures 4A et 4B, non conformes à l'invention. En référence à la figure 4A, l'axe de la conduite d'injection 8 est parallèle, et donc forme un angle 0 de 0°, par rapport à la direction D de l'axe de la conduite 9 au niveau de la connexion entre la conduite 9 et la conduite 7. L'axe de la conduite d'injection 8 croise l'axe de la conduite 7, c'est-à-dire que la distance hl est environ nulle. En référence à la figure 4B, l'axe de la conduite d'injection 8 est parallèle par rapport à la direction D de l'axe de la conduite 9 au niveau de la connexion entre la conduite 9 et la conduite 7. De plus, l'axe de la conduite d'injection 8 est situé à une distance hl environ égale au rayon de la conduite 7. Donc la direction D ne forme pas d'angle 0 par rapport à l'axe de la conduite d'injection, néanmoins on considère qu'il s'agit d'une configuration équivalente à une configuration présentant un l'angle 0 de 0°. Pour chacune des configurations N°1, N°2, N°3, N°4, N°5, N°6 et N°7, les caractéristiques géométriques sont les suivantes : N°1 N°2 N°3 N°4 N°5 N°6 N°7 hl 0.15 0 0 0 0 0 0.15 (m) r (m) 0.2625 0.2625 0.2625 0.2625 0.2625 0.2625 0.2625 0 n 90 90 45 135 -90° 0 0 Pour toutes les configurations testés avec un conduit d'injection 8 en forme de tube droit de diamètre interne égal à 0,225 m. La chambre de mélange 9 a la forme d'un tore de diamètre interne égale à 52.5 cm et qui s'étend sur un arc de cercle de rayon égale à 220.5 cm, l'arc de cercle étant ouvert sur 180°. Pour chacune des configurations N°1, N°2, N°3, N°4, N°5, N°6 et N°7, les simulations numériques consistent à introduire un flux chaud de fluide réactionnel composé d'une fraction de gaz et d'une fraction de liquide dans la conduite de collecte 7 et d'injecter un fluide de trempe gazeux via le moyen d'injection 8. Les simulations sont réalisées en reprenant les conditions opératoires typique d'hydrotraitement d'un gazole, avec VSL=0,8cm/s et VSG=10cm/s.

Les caractéristiques des fluides sont les suivants : débit température densité (kg/m3) Viscositép capacité coefficient (m3/s) (k) (Cp) calorifique conductivité (J/kg/k) thermique (W/m/K) fraction liquide du 0,10 573,15 800 0,4 2859 0,09 fluide réactionnel fraction gaz du 0,63 573,15 20 0,015 11411 0,312 fluide réactionnel fluide de trempe 0,63 323,15 20 0,015 11411 0,312 gazeux Les résultats des simulations numériques sont exploités via deux critères qui permettent de caractériser les performances des configurations testées. Le premier critère rIL est défini comme : Ecart type TLsolte Ti_sortie correspond à la température de la fraction liquide en sortie de la chambre de mélange annulaire 9 TG,Lentrée correspond à la différence entre la température du fluide réactionnel et la température du fluide de trempe '[MAX, correspond à la température maximum mesurée sur la fraction liquide en sortie de la chambre de mélange annulaire 9 TG,MIN correspond à la température minimum mesurée sur la fraction gaz en sortie de la chambre de mélange annulaire 9 TIL vaut zéro quand la température du liquide est homogène en sortie de tore. C'est un critère relatif à la qualité du mélange en phase liquide, que l'on cherche à minimiser. rIGL vaut zéro quand les températures en phase gaz et liquide sont identiques. C'est un critère relatif à la qualité du transfert thermique entre les deux phases, que l'on cherche également à minimiser.

Les résultats pour le critère rIGL sont présentés par la figure 5. Les ronds blancs correspondent aux configurations avec h1=0 et les croix correspondent aux configurations avec hl =0,15 Les résultats pour le critère l'IL sont présentés par la figure 6. Les carrés blancs correspondent aux configurations avec h1=0 et les croix correspondent aux configurations avec hl =0,15. Il apparait clairement que les configurations pour lesquelles l'angle est égal à 90° ou 90° sont les meilleures. Par ailleurs, la distance hl qui rend l'injection du fluide de trempe plus tangentiel ou non à la conduite de collecte 7 a un impact plus faible. Pour minimiser l'IL il est préférable d'utiliser un moyen d'injection tangent à la conduite de collecte 7, c'est-à-dire que hl est environ égal à 0,15, alors que pour minimiser rIGL il est préférable de centrer l'injection sur la conduite de collecte 7, c'est-à-dire que hl est sensiblement nul. ATGL entrée Le deuxième critère rIGL est défini par ri GL = A m MAXLI TG, GL. entrée MIN /sonie

Claims

REVENDICATIONS1. Réacteur catalytique à écoulement descendant comportant une enceinte (1) renfermant au moins deux lits de catalyseur solide (2; 11) séparés par une zone intermédiaire comportant un dispositif de mélange de fluides, le dispositif comprenant : au moins un plateau de collecte sensiblement horizontal (5) communiquant avec une conduite de collecte verticale (7) pour recevoir les fluides collectés par le plateau de collecte, au moins un moyen d'injection d'un fluide (8) de trempe débouchant dans ladite conduite de collecte (7), une chambre de mélange annulaire (9) située en dessous de plateau (5), ladite chambre comprenant une extrémité d'entrée (6) directement reliée à ladite conduite de collecte (7) et une extrémité de sortie (10) pour évacuer les fluides, et un plateau de prédistribution (11) comportant une pluralité de perforation et comprenant au moins une cheminée (13), ledit plateau situé en dessous de ladite chambre (9), le réacteur étant caractérisé en ce que le moyen d'injection comprend une portion tubulaire débouchant dans ladite conduite de collecte verticale (7), ladite portion tubulaire ayant un axe droit formant un angle 0 avec une direction D de l'axe de la chambre de mélange (9), la direction D étant mesurée au niveau de ladite extrémité d'entrée (6), l'angle 0 étant compris entre 45 ° et 135°.
2 Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe de la portion tubulaire est sensiblement horizontal.
3 Réacteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'angle 0 est compris entre 80° et 100°.
4 Réacteur selon l'une des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que la conduite de collecte verticale (7) a une section circulaire et en ce que le moyen d'injection est disposé de manière à ce que la distance hl comprise entre l'axe de la portion tubulaire et l'axe de la conduite de collecte verticale soit compris entre 0 et le rayon de ladite conduite de collecte verticale.355 Réacteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la distance hl est égale à 0 de manière à ce que l'axe de la portion tubulaire croise l'axe de la conduite de collecte verticale. 6 Réacteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la distance hl est égale à environ le rayon de ladite conduite de collecte verticale de manière à ce que l'axe de la portion tubulaire soit tangent à la paroi de la conduite de collecte verticale. 7 Réacteur selon la revendication 1 à 6, caractérisé en ce que ledit plateau est situé en dessous de ladite chambre (9) à une distance d2 comprise entre 0 et 100 mm. 8 Réacteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la distance d2 est égale à 0 mm, la chambre de mélange annulaire (9) étant en contact avec le plateau de distribution (11). 9 Réacteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la distance d2 est comprise entre 0,25 et 100 mm, de préférence entre 0,5 et 5 mm. 10 Réacteur selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce que la chambre de mélange annulaire (9) est positionnée à la périphérie de l'enceinte (1) du réacteur. 11 Réacteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite chambre annulaire (9) est constitué d'une portion de conduite ayant un axe en forme d'arc de cercle. 12 Réacteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite chambre de mélange annulaire (9) est positionnée à une distance dl de l'enceinte du réacteur, la distance dl variant de 0,5% à 25% du diamètre de l'enceinte du réacteur. 13 Réacteur selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que le diamètre d de ladite chambre de mélange annulaire (9) est compris entre 0,05 et 0,5 m, de préférence entre 0,1 et 0,3 m, de manière encore plus préférée entre 0,15 et 0,25 m. 14 Réacteur selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que la longueur de ladite chambre de mélange annulaire (9) est comprise entre 90 et 270 degrés, plus préférentiellement entre 100 et 250 degrés; de manière encore plus préférée 130 et 200 degrés.15 Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, un plateau de distribution (12) sensiblement horizontal positionné en-dessous du plateau de prédistribution. 16 Procédé de mise en oeuvre d'un réacteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on fait circuler du haut vers le bas dudit réacteur (1) au moins un fluide réactionnel à travers au moins un lit de catalyseur (2), et dans lequel on injecte un fluide de trempe dans ledit moyen d'injection (8).