WO2009141517A1 - Novel bayonet-tube heat exchanger reactor, the tubes of which are surrounded by shafts in cement - Google Patents

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WO2009141517A1
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cement
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reactor
bayonet
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PCT/FR2009/000499
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Fabrice Giroudiere
Jérôme Colin
Didier Pavone
Estelle Lucien
Etienne Soutif
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Definitions

  • the field of the present invention is that of exchanger reactors for the implementation of highly endothermic reactions, such as the steam reforming reaction of hydrocarbon cuts for the production of synthesis gas.
  • a reaction reactor is one in which the heat input required for the reaction is carried out by means of a coolant generated outside the reactor itself.
  • the scope of the present invention includes the case where the heat transfer fluid is generated inside the exchanger reactor itself.
  • the catalytic chemical reaction takes place inside a plurality of tubes arranged in parallel substantially vertically, and the heat transfer fluid circulates outside these tubes.
  • the skilled person speaks of "tube side” to refer to the chemical reaction and the flow of the reaction fluid, and "shell side” to designate what relates to the flow of heat transfer fluid and the heat exchange from the coolant to the reaction fluid flowing inside the tubes.
  • the reaction tubes are bayonet type, that is to say that each tube consists of a first inner tube open at both ends, surrounded by a second outer tube closed at one end. its ends, surrounding the inner tube and defining an annular space.
  • the reaction fluid is introduced into the annular zone, circulates inside the annular zone, then after a 180 ° inversion, passes inside the inner tube. from which the reaction effluent is extracted.
  • One of the advantages of the present invention is to allow the coolant to be introduced or generated inside the exchanger reactor at temperature levels of up to 1200 ° C. and up to 1500 ° C., and to be channeled inside chimneys at least partly made of cement, each chimney surrounding each bayonet tube so as to obtain high circulation velocities within said chimneys to optimize the transfer of heat to the reaction fluid.
  • the cited application also uses a system of chimneys surrounding the bayonet tubes, these chimneys consisting of a generally metallic tube surrounding each bayonet tube, said metal tube being supported by a tabular plate placed in the upper part of the reactor.
  • Synetic's Advanced Gas Heated Reformer a Synetix's Advanced Technology Heated Reformer, describes a small-capacity bayonet tube heat exchanger reactor with a tabular plate.
  • the hot gases used as heat transfer fluid do not exceed 1000 ° C, which poses no problem for the realization of metal chimneys surrounding the bayonet tubes.
  • the diameter of the reactor therefore of the tabular plate having to support the chimneys, can exceed 3 meters, and for diameters of this value, the tabular plate quickly reaches thicknesses greater than 300 mm. which makes the cost very high and the construction difficult.
  • the present invention makes it possible both to exceed the temperature limit of admission of the heat transfer fluid inside the chimneys, and to remove the support tabular plate of said chimneys. This results in the possibility of dimensioning the exchanger reactor according to the invention so as to reach capacities of 150,000 Nm3 / hour of hydrogen thanks to a reactor of about 12 meters in diameter, in the case of steam reforming of natural gas.
  • Another advantage of the invention lies in its implementation facilitated during the installation of tabs bayonet, which are slid inside the chimneys whose lower part is made of cement.
  • the exchanger reactor according to the present invention may also be sized for lower capacities.
  • FIG. 1 shows a view of the exchanger reactor with four bayonet tubes surrounded by cement chimneys along their entire length (HT). The inlet and outlet of the bayonet tube are outside the reactor.
  • FIG. 2 shows a view of the reactor with four bayonet tubes and a chimney having a first portion of high cement (HC), and a second metal and / or ceramic part. The inlet and outlet of the bayonet tube is outside the reactor.
  • FIG. 3 represents a view of the lower part of the exchanger reactor with a concrete block having a generally arch-shaped lower surface.
  • FIG. 4 represents a view of the lower part of the exchanger reactor with a concrete block having a lower surface in the form of several arches.
  • Figure 5 shows a view of the lower part of a bayonet tube surrounded by a conical shaped chimney, followed by a metal chimney and / or ceramic.
  • the present invention may be defined as an exchanger reactor adapted to the implementation of highly endothermic reactions, the reactor consisting of a cylindrical calender (1) closed at its upper part by an upper convex bottom (2) and its part lower by a lower curved bottom (3), said calender enclosing a plurality of bayonet tubes (4) parallel and extending along a substantially vertical axis, the reaction fluid flowing inside the annular portion (8) of bayonet tubes (4) filled at least partly with catalyst over a height (RH).
  • the coolant is introduced into the shell by the lower bottom (3) and circulates around the bayonet tubes (4) in chimneys (13) of total height (HT), said chimneys being in their lower part delimited by conduits cylindrical cut inside a concrete block (11) resting on the bottom bottom (3), and extending to a height (HC) less than or equal to the total height (HT).
  • the total height (HT) of the chimneys is less than or equal to the catalytic height (RH).
  • said total height (HT) is less than or equal to the catalytic height (RH) of the bayonet tubes (4).
  • the bayonet tubes (4) comprise a so-called “reaction zone” filled with catalyst and extending over a height (RH).
  • the height of this reaction portion (HR) of the tubes bayonet, said catalytic height (HR) is generally less than the total height (HB) of said tubes, but may possibly be equal thereto.
  • the total height (HB) of the bayonet tubes is less than the total height of the reactor since the bayonet tubes do not extend down to the bottom bottom (3). However, depending on the support mode, the bayonet tubes can, in some cases, through the upper curved bottom (2).
  • the term "total height" (HB) therefore means bayonet tubes, the length of said tubes taken inside the exchanger reactor.
  • the reaction height (HR) is generally greater than 50% of the total height (HB) of the bayonet tubes, and preferably greater than 60% of said total height (HB).
  • the chimneys (13) are made of cement along their entire length (HT).
  • (HC) (HT) and (HT) less than or equal to (HR).
  • the cement chimneys (13) do not extend over the entire height (HT) of said chimneys.
  • the chimneys (13) are then defined in their lower part by the ducts cut inside the cement bulk (11), and are extended in their upper part by metal and / or ceramic tubes (10) resting on the face upper (20) of the cement base (11).
  • cut does not mean that the ducts have been cut in the cement, but that the corresponding ducts have been reserved when pouring the cement by any means known to those skilled in the art.
  • the height over which the concrete block (11) extends is determined by the temperature of the coolant which, from a certain value generally between 600 ° C. and 900 ° C., makes it possible to extend the chimneys by an envelope metallic and / or ceramic (10) while remaining, in the metallic case, in a conventional metallurgy.
  • the heat transfer fluid is introduced through the bottom convex bottom (3) of the reactor by means of the introduction pipe (F), is distributed in the different cement chimneys (13) and is collected in the upper part of the reactor by the tubing collection (G).
  • the reactor according to the invention is particularly applicable to a heat transfer fluid available at a temperature above 1000 ° C, or even greater than 1200 ° C. It may be in particular a heat transfer fluid generated by a burner placed inside the exchanger reactor itself, generally at the level of the bottom curved bottom (3).
  • the first part of cement chimneys (13) is therefore necessary to reach, at the level of the coolant, the temperature from which the chimneys can be extended by a metal tube (10), made in a suitable metallurgy, and / or ceramic.
  • the cementitious mass (11) will be chosen from a refractory type material with a density of between 500 kg / m3 and 2500 kg / m3, and having a composition of Al 2 O 3 , SiO 2 , CaO, Fe 2 O 3 , P 2 O 5, such that this cement can withstand temperatures up to 1500 ° C.
  • this cement may be a type VIBRON 160 H cement or refractory GOLITE 125 XLW marketed by the company GOUDA.
  • the nature of the cement, and particularly its density, may vary depending on the location, and the shape of the cement part considered.
  • the exchanger reactor according to the present invention has vertical ducts cut in the cement bulk (11) defining the cement chimneys (13).
  • the annular space (9) between the wall of the cement chimneys (13) and the outer tube (6) may have a cylindrical shape or, preferably, a substantially conical shape so as to modulating the circulation velocity of the heat transfer fluid within the annular space (9) between a value of between 10 m / s and 80 m / s, and preferably between 20 m / s and 60 m / s.
  • the height of the cement chimneys (13) extends over the entire length of the bayonet tubes (4) corresponding to the reaction portion, abbreviated as "reaction length” (HR) .
  • each bayonet tube (4) is outside the reactor.
  • the cementitious mass (11) has an approximately planar upper section (20) and a lower section (21) which may have various shapes, for example that of a single arch, said arch being connected to the lower curved bottom (3) through pillars (12) also in cement.
  • the concrete block has an approximately flat upper section (20) and a lower section (21) consisting of a series of arches, each arch being connected to the lower convex bottom (3) by pillars (12) also in cement.
  • the extrapolation of the reactor is done by the number of bayonet tubes, the reaction length (ie the length of the catalyst-filled tube) of said bayonet tubes being generally between 7 and 20 meters, and preferably between 8 and 17 meters.
  • the present invention can also be defined as a process for steam reforming a hydrocarbon fraction using the reactor according to the present invention, in which the speed of circulation of the heat transfer fluid inside the chimneys (13) is between 10 and 80 m. / s, and preferably between 20 and 60 m / s.
  • the steam reforming process using the reactor according to the present invention is generally charged with hydrocarbon cuts having less than 12 carbon atoms, with a molar ratio of steam to water of between 2 and 6.
  • the coolant consists of fumes consisting essentially of water vapor, obtained by the combustion of hydrogen in a burner located outside. or inside the exchanger reactor according to the invention.
  • FIG. 1 represents a view of the exchanger reactor according to the invention in a variant in which the entirety of the chimneys (13) surrounding each bayonet tube (4) is made of cement.
  • the total height (HT) of the chimneys is therefore equal to the height (HC) of the cement part, and the total height (HT) is less than or equal to the height of the catalytic zone (HR).
  • the reactor comprises a cylindrical envelope (1) closed in its upper part by an upper curved bottom (2), and in its lower part by a bottom curved bottom (3).
  • the heat transfer fluid is generally admitted by the bottom convex bottom (3) by means of a pipe (F) having a refractory lining, so as to accept a heat transfer fluid up to 1500 ° C.
  • the heat transfer fluid can come from any combustion equipment generating smoke, generally a burner located outside the exchanger reactor, can operate on any type of hydrocarbon fuel.
  • this fuel can be hydrogen, or a gas rich in hydrogen, which makes it possible to generate smoke free of CO2, which in the current context of reduction of greenhouse gases, can be an advantage decisive.
  • the coolant engages inside the chimneys (13) surrounding each bayonet tube (4).
  • the annular zone (9) separating the wall of the chimneys (13) from the outer tube (6) constituting the bayonet tube (4) is defined so as to allow the coolant to reach inside the chimneys speeds between 10 m / s and 80 m / s, and preferably between 20 m / s and 60 m / s.
  • the annular zone (9) may have a variable spacing so as to allow a modulation of the heat transfer fluid velocity from the bottom of the chimney to the top of the chimney.
  • the heat transfer fluid velocity at the lowest point of the chimneys (13) is between 10 m / s and 80 m / s, preferably between 20 m / s and 60 m / s, and the velocity of the coolant at highest point of the chimneys is between 10 m / s and 50 m / s, preferably between 20 m / s and 40 m / s.
  • the profile of the spacing of the annular zone (9) can be arbitrary, but is most often conical, with a decrease of the spacing going from bottom to top so as to to compensate for the increase in the density of the heat transfer fluid due to the cooling of the latter.
  • a bayonet tube (4) consists of an inner tube (5) open at both ends surrounded by an outer tube (6) closed at its lower end.
  • the annular space (8) between the inner tube and the outer tube is generally filled with catalyst particles, at least over part of its length, denoted (HR).
  • reaction fluid flows down the inside of the annular space (8), then goes up inside the inner tube (5).
  • Other modes of circulation are nevertheless possible, the invention being in no way related to the ascending or descending nature of the fluid flow inside the bayonet tubes (4).
  • the reactions involved in the exchanger reactor according to the invention are highly endothermic reactions, such as the hydrocarbon cutting vaporeforming reaction in order to produce a synthesis gas.
  • the catalyst particles generally have the shape of small cylinders 1 to 2 cm high, and diameter between 1 and 2 cm.
  • the support mode of the bayonet tubes may vary.
  • the support is done by means of a tabular plate to which are suspended the bayonet tubes (4).
  • the support is provided directly by the upper curved bottom (2) on which the tubes are fixed by direct welding, or by means of a flange connection. allowing disassembly of the bayonet tubes.
  • the discharge of the reaction effluents from the inner tube (5) is after said inner tube (5) has passed through the outer tube (6), as shown in FIGS. and 2.
  • the inner tubes (5) are connected to a collector (S) for collecting the reaction effluents, and the outer tubes (6) are fed by an inlet manifold (D), allowing the distribution of the reaction fluids in each tube.
  • the design of the reactor is done by multiplication of the bayonet tubes, the tubes having a catalytic length of between 7 and 20 meters, and preferably between 8 and 17 meters.
  • the catalytic length corresponds to the portion of the tube filled with catalyst.
  • the total length of the bayonet tube inside the reactor is between 15 and 20 meters.
  • FIG 2 is identical to Figure 1 except for the upper part of the chimneys (13) which is no longer cement but becomes metallic and / or ceramic (10). More precisely, the cement mass (11) in which the chimneys (13) are cut out extends over a certain height (HC) less than the total height (HT) of the chimneys (13). Above this height (HC), the chimneys (13) consist of a metal and / or ceramic tube (10) resting on the upper section (20) of the cement block (11).
  • FIG. 3 represents a concrete block (11) with a lower face (21) in the form of a single arch.
  • a possible binding mode of the solid cement (11) with the curved bottom (3) of the reactor can consist of pillars (12) being interposed between 'the locations corresponding to the bayonet tubes (4). These pillars (12) may be substantially vertical, as shown in Figure 3. They may in some cases, depending on purely geometric constraints, be more or less inclined.
  • FIG. 4 shows a cement base (11) with a lower face (21) in the form of a multiple arch, each arch corresponding to a row of bayonet tubes.
  • FIGS. 3 and 4 show more precisely the so-called "mixed" configuration corresponding to a lower portion of the cement chimneys (13), and an upper portion of the metal and / or ceramic chimneys (10).
  • the annular space (9) between the cement chimneys (13) and the outer tube (6) is conical so as to allow some acceleration of the flow velocity of the coolant from bottom to top. This annular space (9) remains constant when the wall of the chimneys (10) becomes metallic or ceramic.
  • the reactor is in accordance with FIG. 2 and has chimneys whose first lower part is made of cement (HC) and extends over a height of 4 meters.
  • the upper part of the chimneys is metallic and extends over a height of 10 meters.
  • the total height of the chimneys (HT) is 14 meters.
  • the annular portion (8) of the bayonet tubes (4) is filled with a steam reforming catalyst at a height (RH) of 17 meters.
  • the heights are all marked with respect to the lower end of the bayonet tubes.
  • the charge of the exchanger reactor consists of natural gas (NG) of composition given in the table below:
  • the end of the catalytic zone corresponds to the lower end of the bayonet tube, and the outlet of the reaction effluent is in the upper part of the bayonet tubes by the inner tube (5).
  • the flow rate of the coolant is: 360 000 kg / h
  • the inlet temperature of the coolant is: 1293 ° C
  • the dimensions of the reactor taking into account the mechanical stresses of implantation of the bayonet tubes are: External diameter of the bayonet tubes: 170 mm
  • HC cement chimneys
  • HT-HC metal chimneys
  • the cement base (11) consists of a lower part, including the connecting pillars (12) with the bottom curved bottom (3), made of refractory mass cement volume 2500 kg / m 3 , and an upper part made in a cement density 500 kg / m 3 refiractaire.

Abstract

Heat exchanger reactor for carrying out highly endothermic reactions, consisting of a cylindrical shell (1) closed in its upper part by a top dome (2) and in its lower part by a bottom dome (3), said shell enclosing a plurality of bayonet tubes (4) which are mutually parallel and extend along an approximately vertical axis and through which the reaction fluid flows. The heat-transfer fluid is injected into the shell via the bottom dome (3) and flows around the bayonet tubes inside shafts (13), said shafts being defined by ducts cut into a bulk cement element (11) that rests on the bottom dome (3) and extends up to a height (H) equal to or lower than the total height of the bayonet tubes (4).

Description

NOUVEAU REACTEUR ECHANGEUR A TUBES BAÏONNETTE ENTOUREES DE CHEMINEES EN CIMENT NEW BAYONETTE TUBE EXCHANGER REACTOR SURROUNDED BY CEMENT CHIMNEYS
DOMAINE DE L'INVENTIONFIELD OF THE INVENTION
Le domaine de la présente invention est celui des réacteurs échangeurs destinés à la mise en oeuvre de réactions fortement endothermiques, telle que la réaction de vaporeformage de coupes hydrocarbures en vue de la production du gaz de synthèse. On appelle réacteur échangeur un réacteur dans lequel l'apport de chaleur nécessaire au déroulement de la réaction est effectué au moyen d'un fluide caloporteur généré à l'extérieur du réacteur lui même. Par extension, on inclut dans le cadre de la présente invention le cas où le fluide caloporteur est généré à l'intérieur même du réacteur échangeur. La réaction chimique catalytique se déroule à l'intérieur d'une pluralité de tubes disposés en parallèle de manière sensiblement verticale, et le fluide caloporteur circule à l'extérieur de ces tubes. L'homme du métier parle de "côté tube" pour désigner ce qui a trait à la réaction chimique et à l'écoulement du fluide réactionnel, et de "côté calandre" pour désigner ce qui se rapporte à l'écoulement du fluide caloporteur et à l'échange de chaleur depuis le fluide caloporteur vers le fluide réactionnel circulant à l'intérieur des tubes. Dans le cadre de la présente invention, les tubes réactionnels sont de type baïonnette, c'est à dire que chaque tube est constitué d'un premier tube intérieur ouvert à ses deux extrémités, entouré d'un second tube extérieur fermé à l'une de ses extrémités, entourant le tube intérieur et définissant un espace annulaire. Dans la configuration de circulation préférée dans le cadre de la présente invention, le fluide réactionnel est introduit dans la zone annulaire, circule à l'intérieur de la zone annulaire, puis après un retournement à 180°, passe à l'intérieur du tube interne duquel l'effluent réactionnel est extrait .The field of the present invention is that of exchanger reactors for the implementation of highly endothermic reactions, such as the steam reforming reaction of hydrocarbon cuts for the production of synthesis gas. A reaction reactor is one in which the heat input required for the reaction is carried out by means of a coolant generated outside the reactor itself. By extension, the scope of the present invention includes the case where the heat transfer fluid is generated inside the exchanger reactor itself. The catalytic chemical reaction takes place inside a plurality of tubes arranged in parallel substantially vertically, and the heat transfer fluid circulates outside these tubes. The skilled person speaks of "tube side" to refer to the chemical reaction and the flow of the reaction fluid, and "shell side" to designate what relates to the flow of heat transfer fluid and the heat exchange from the coolant to the reaction fluid flowing inside the tubes. In the context of the present invention, the reaction tubes are bayonet type, that is to say that each tube consists of a first inner tube open at both ends, surrounded by a second outer tube closed at one end. its ends, surrounding the inner tube and defining an annular space. In the preferred circulation configuration in the context of the present invention, the reaction fluid is introduced into the annular zone, circulates inside the annular zone, then after a 180 ° inversion, passes inside the inner tube. from which the reaction effluent is extracted.
Un des avantages de la présente invention est de permettre au fluide caloporteur d'être introduit ou généré à l'intérieur du réacteur échangeur à des niveaux de température pouvant atteindre 1200°C et aller jusqu'à 1500°C, et d'être canalisé à l'intérieur de cheminées au moins en partie réalisées en ciment, chaque cheminée entourant chaque tube à baïonnette de manière à obtenir des vitesses de circulation élevées à l'intérieur des dites cheminées permettant d'optimiser le transfert de chaleur vers le fluide réactionnel. EXAMEN DE L'ART ANTERIEUROne of the advantages of the present invention is to allow the coolant to be introduced or generated inside the exchanger reactor at temperature levels of up to 1200 ° C. and up to 1500 ° C., and to be channeled inside chimneys at least partly made of cement, each chimney surrounding each bayonet tube so as to obtain high circulation velocities within said chimneys to optimize the transfer of heat to the reaction fluid. EXAMINATION OF THE PRIOR ART
La demande de brevet FR N° 07/05.316 décrit un réacteur échangeur à tube à baïonnette permettant de gérer des différences de pression pouvant aller jusqu'à 100 bars (1 bar = 0,1The patent application FR No. 07 / 05,316 describes a bayonet tube exchanger reactor for managing pressure differences up to 100 bar (1 bar = 0.1).
MPa) entre le côté tube et le côté calandre. La demande citée fait également appel à un système de cheminées entourant les tubes à baïonnette, ces cheminées étant constituées d'un tube généralement métallique entourant chaque tube à baïonnette, ledit tube métallique étant supporté par une plaque tabulaire placée en partie supérieure du réacteur.MPa) between the tube side and the shell side. The cited application also uses a system of chimneys surrounding the bayonet tubes, these chimneys consisting of a generally metallic tube surrounding each bayonet tube, said metal tube being supported by a tabular plate placed in the upper part of the reactor.
Dans le cas de cheminées métalliques, il n'est pas possible d'admettre le fluide caloporteur à des températures supérieures à 12000C3 voire même supérieure à HOO0C, ceci quelle que soit la métallurgie choisie. Ceci constitue une limitation contraignante lorsqu'on désire réaliser un transfert de chaleur à partir d'un fluide caloporteur disponible à une température pouvant atteindre 1300°C.In the case of metal chimneys, it is not possible to admit the heat transfer fluid at temperatures above 1200 0 C 3 or even above HOO 0 C, this regardless of the metallurgy chosen. This is a limiting limitation when it is desired to carry out a heat transfer from an available heat transfer fluid at a temperature up to 1300 ° C.
Le document de présentation de la technologie commercialisée par Synetics intitulé "Synetix's Advanced Gas Heated Reformer", décrit un réacteur échangeur de petite capacité à tubes à baïonnette avec plaque tabulaire. Cependant, dans ce réacteur, les gaz chauds utilisés comme fluide caloporteur n'excèdent pas 1000°C, ce qui ne pose aucun problème pour la réalisation des cheminées métalliques entourant les tubes à baïonnette.Synetic's Advanced Gas Heated Reformer, a Synetix's Advanced Technology Heated Reformer, describes a small-capacity bayonet tube heat exchanger reactor with a tabular plate. However, in this reactor, the hot gases used as heat transfer fluid do not exceed 1000 ° C, which poses no problem for the realization of metal chimneys surrounding the bayonet tubes.
De plus, pour des réacteurs de grande capacité, le diamètre du réacteur, donc de la plaque tabulaire ayant à supporter les cheminées, peut dépasser 3 mètres, et pour des diamètres de cette valeur, la plaque tabulaire atteint rapidement des épaisseurs supérieures à 300 mm qui en rendent le coût très élevé et la construction difficile.In addition, for large capacity reactors, the diameter of the reactor, therefore of the tabular plate having to support the chimneys, can exceed 3 meters, and for diameters of this value, the tabular plate quickly reaches thicknesses greater than 300 mm. which makes the cost very high and the construction difficult.
La présente invention permet à la fois de dépasser la limite de température d'admission du fluide caloporteur à l'intérieur des cheminées, et de supprimer la plaque tabulaire de support desdites cheminées. H en résulte la possibilité de dimensionner le réacteur échangeur selon l'invention de façon à atteindre des capacités de 150 000 Nm3 /heure d'hydrogène grâce à un réacteur de 12 mètres de diamètre environ, dans le cas du vaporéformage de gaz naturel.The present invention makes it possible both to exceed the temperature limit of admission of the heat transfer fluid inside the chimneys, and to remove the support tabular plate of said chimneys. This results in the possibility of dimensioning the exchanger reactor according to the invention so as to reach capacities of 150,000 Nm3 / hour of hydrogen thanks to a reactor of about 12 meters in diameter, in the case of steam reforming of natural gas.
Un autre avantage de l'invention réside dans sa mise en oeuvre facilitée lors de l'installation des tabès à baïonnette, qui sont glissés à l'intérieur des cheminées dont la partie inférieure est réalisé en ciment.Another advantage of the invention lies in its implementation facilitated during the installation of tabs bayonet, which are slid inside the chimneys whose lower part is made of cement.
Le réacteur échangeur selon la présente invention peut être également dimensionné pour des capacités inférieures. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURESThe exchanger reactor according to the present invention may also be sized for lower capacities. SUMMARY DESCRIPTION OF THE FIGURES
La figure 1 représente une vue du réacteur échangeur avec quatre tubes à baïonnette entourés de cheminées en ciment sur toute leur longueur (HT). L'entrée et la sortie du tube à baïonnette se font à l'extérieur du réacteur. La figure 2 représente une vue du réacteur avec quatre tubes à baïonnette et une cheminée ayant une première partie en ciment de hauteur (HC), et une seconde partie métallique et/ou céramique. L'entrée et la sortie du tube à baïonnette se fait à l'extérieur du réacteur. La figure 3 représente une vue de la partie inférieure du réacteur échangeur avec un massif en ciment ayant une surface inférieure globalement en forme de voûte. La figure 4 représente une vue de la partie inférieure du réacteur échangeur avec un massif en ciment ayant une surface inférieure en forme de plusieurs arches.Figure 1 shows a view of the exchanger reactor with four bayonet tubes surrounded by cement chimneys along their entire length (HT). The inlet and outlet of the bayonet tube are outside the reactor. FIG. 2 shows a view of the reactor with four bayonet tubes and a chimney having a first portion of high cement (HC), and a second metal and / or ceramic part. The inlet and outlet of the bayonet tube is outside the reactor. FIG. 3 represents a view of the lower part of the exchanger reactor with a concrete block having a generally arch-shaped lower surface. FIG. 4 represents a view of the lower part of the exchanger reactor with a concrete block having a lower surface in the form of several arches.
La figure 5 représente une vue de la partie inférieure d'un tube à baïonnette entourée d'une cheminée en ciment de forme conique, suivie d'une cheminée métallique et/ou céramique.Figure 5 shows a view of the lower part of a bayonet tube surrounded by a conical shaped chimney, followed by a metal chimney and / or ceramic.
DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTIONSUMMARY DESCRIPTION OF THE INVENTION
La présente invention peut être définie comme un réacteur échangeur adapté à la mise en oeuvre de réactions fortement endothermiques, le réacteur consistant en une calandre de forme cylindrique (1) fermée à sa partie supérieure par un fond bombé supérieur (2) et à sa partie inférieure par un fond bombé inférieur (3), la dite calandre enfermant une pluralité de tubes à baïonnette (4) parallèles et s'étendant selon un axe sensiblement vertical, le fluide réactionnel circulant à l'intérieur de la partie annulaire (8) des tubes à baïonnette (4) remplie au moins en partie de catalyseur sur une hauteur (HR). Le fluide caloporteur est introduit dans la calandre par le fond inférieur (3) et circule autour des tubes à baïonnette (4) dans des cheminées (13) de hauteur totale (HT), les dites cheminées étant dans leur partie inférieure délimitées par des conduits cylindriques découpés à l'intérieur d'un massif en ciment (11) reposant sur le fond inférieur (3), et s'étendant jusqu'à une hauteur (HC) inférieure ou égale à la hauteur totale (HT). De manière générale, la hauteur totale (HT) des cheminées est inférieure égale ou supérieure à la hauteur catalytique (HR). De manière préférée, la dite hauteur totale (HT) est inférieure ou égale à la hauteur catalytique (HR) des tubes à baïonnette (4).The present invention may be defined as an exchanger reactor adapted to the implementation of highly endothermic reactions, the reactor consisting of a cylindrical calender (1) closed at its upper part by an upper convex bottom (2) and its part lower by a lower curved bottom (3), said calender enclosing a plurality of bayonet tubes (4) parallel and extending along a substantially vertical axis, the reaction fluid flowing inside the annular portion (8) of bayonet tubes (4) filled at least partly with catalyst over a height (RH). The coolant is introduced into the shell by the lower bottom (3) and circulates around the bayonet tubes (4) in chimneys (13) of total height (HT), said chimneys being in their lower part delimited by conduits cylindrical cut inside a concrete block (11) resting on the bottom bottom (3), and extending to a height (HC) less than or equal to the total height (HT). In general, the total height (HT) of the chimneys is less than or equal to the catalytic height (RH). Preferably, said total height (HT) is less than or equal to the catalytic height (RH) of the bayonet tubes (4).
Les tubes à baïonnette (4) comportent une zone dite "réactionnelle" remplie de catalyseur et s'étendant sur une hauteur (HR). La hauteur de cette portion réactionnelle (HR) des tubes à baïonnette, dite hauteur catalytique (HR) est généralement inférieure à la hauteur totale (HB) desdits tubes, mais peut éventuellement lui être égale.The bayonet tubes (4) comprise a so-called "reaction zone" filled with catalyst and extending over a height (RH). The height of this reaction portion (HR) of the tubes bayonet, said catalytic height (HR) is generally less than the total height (HB) of said tubes, but may possibly be equal thereto.
De manière conventionnelle, toutes les hauteurs sont repérées par rapport à une hauteur de base (H=O) qui correspond à l'extrémité inférieure des tubes à baïonnette (4). La hauteur totale (HB) des tubes à baïonnette est inférieure à la hauteur totale du réacteur puisque les tubes à baïonnette ne s'étendent pas vers le bas jusqu'au fond inférieur (3). En revanche, en fonction du mode de supportage, les tubes à baïonnette peuvent, dans certains cas, traverser le fond bombé supérieur (2). On entend donc par hauteur totale (HB) des tubes à baïonnette, la longueur desdits tubes prise à l'intérieur du réacteur échangeur. La hauteur réactionnelle (HR) est généralement supérieure à 50% de la hauteur totale (HB) des tubes à baïonnette, et préférentiellement supérieure à 60 % de ladite hauteur totale (HB). Dans une première variante du réacteur échangeur selon l'invention, les cheminées (13) sont en ciment sur toute leur longueur (HT). Dans cette variante on a donc (HC) = (HT) et (HT) inférieure ou égale à (HR). Dans une seconde variante du réacteur échangeur selon l'invention, les cheminées en ciment (13) ne s'étendent pas sur la totalité de la hauteur (HT) desdites cheminées. Les cheminées (13) sont alors définies dans leur partie inférieure par les conduits découpés à l'intérieur du massif en ciment (11), et sont prolongées dans leur partie supérieure par des tubes métalliques et/ou céramiques (10) reposant sur la face supérieure (20) du massif en ciment (11).Conventionally, all the heights are marked with respect to a base height (H = O) corresponding to the lower end of the bayonet tubes (4). The total height (HB) of the bayonet tubes is less than the total height of the reactor since the bayonet tubes do not extend down to the bottom bottom (3). However, depending on the support mode, the bayonet tubes can, in some cases, through the upper curved bottom (2). The term "total height" (HB) therefore means bayonet tubes, the length of said tubes taken inside the exchanger reactor. The reaction height (HR) is generally greater than 50% of the total height (HB) of the bayonet tubes, and preferably greater than 60% of said total height (HB). In a first variant of the exchanger reactor according to the invention, the chimneys (13) are made of cement along their entire length (HT). In this variant we have (HC) = (HT) and (HT) less than or equal to (HR). In a second variant of the exchanger reactor according to the invention, the cement chimneys (13) do not extend over the entire height (HT) of said chimneys. The chimneys (13) are then defined in their lower part by the ducts cut inside the cement bulk (11), and are extended in their upper part by metal and / or ceramic tubes (10) resting on the face upper (20) of the cement base (11).
Pour la clarté de la description, on désigne par (13) les cheminées "en ciment", et par (10) les cheminées dans la partie métallique et/ou céramique. On a toujours (HT) inférieure ou égale à (HR). L'expression métallique et/ou céramique signifie que la partie supérieure des cheminées (10) peut être réalisée par une combinaison quelconque de tronçons métallique et de tronçon en céramique. On parle de manière équivalente d'un assemblage métal / céramique.For the sake of clarity, the term "(13) chimneys" in cement ", and (10) the chimneys in the metal part and / or ceramic. We always have (HT) less than or equal to (HR). The expression metallic and / or ceramic means that the upper part of the chimneys (10) can be made by any combination of metal sections and ceramic section. We speak equivalently of a metal / ceramic assembly.
Bien entendu, cela inclut le cas où la partie supérieure des cheminées (10) est entièrement métallique ou entièrement en céramique.Of course, this includes the case where the upper part of the chimneys (10) is entirely metallic or entirely ceramic.
Dans la variante où les cheminées sont entièrement en ciment, on les désigne par (13).In the variant where the chimneys are entirely made of cement, they are designated by (13).
Dans la variante où les cheminées sont dans leur partie inférieure en ciment, puis dans leur partie supérieure métallique et /ou céramique, on les désigne globalement par (13), sauf si on a vraiment à distinguer la partie métallique et/ou céramique (10). On désigne par (9) l'espace annulaire s'étendant entre la paroi du tube externe (6) constituant une partie du tube à baïonnette (4), et la paroi de la cheminée, que celle ci soit en ciment (13), ou métallique et/ou céramique (10).In the variant where the chimneys are in their lower part in cement, then in their metallic and / or ceramic upper part, they are generally designated by (13), except if it is really necessary to distinguish the metal and / or ceramic part (10). ). Is denoted by (9) the annular space extending between the wall of the outer tube (6) constituting a portion of the bayonet tube (4), and the wall of the chimney, that it is made of cement (13), or metallic and / or ceramic (10).
Le terme "découpé" ne signifie pas que les conduits ont été découpés dans le ciment, mais que les conduits correspondants ont été réservés au moment de couler le ciment par tout moyen connu de l'homme du métier.The term "cut" does not mean that the ducts have been cut in the cement, but that the corresponding ducts have been reserved when pouring the cement by any means known to those skilled in the art.
La hauteur sur laquelle s'étend le massif en ciment (11) est déterminée par la température du fluide caloporteur qui, à partir d'une certaine valeur généralement comprise entre 600°C et 900°C, permet de prolonger les cheminées par une enveloppe métallique et/ou céramique (10) en restant, dans le cas métallique, dans une métallurgie conventionnelle.The height over which the concrete block (11) extends is determined by the temperature of the coolant which, from a certain value generally between 600 ° C. and 900 ° C., makes it possible to extend the chimneys by an envelope metallic and / or ceramic (10) while remaining, in the metallic case, in a conventional metallurgy.
Une des céramiques envisageable est le Carbure de Silicium (SiC ou carborundum). Le fluide caloporteur est introduit par le fond bombé inférieur (3) du réacteur au moyen de la tubulure d'introduction (F), se répartit dans les différentes cheminées en ciment (13) et est collecté dans la partie supérieure du réacteur par la tubulure de collecte (G). Le réacteur selon l'invention s'applique particulièrement à un fluide caloporteur disponible à une température supérieure à 1000°C, voire supérieure à 1200°C. Il peut s'agir en particulier d'un fluide caloporteur généré par un brûleur placé à l'intérieur même du réacteur échangeur, généralement au niveau du fond bombé inférieur (3). La première partie de cheminées en ciment (13) est donc nécessaire pour atteindre, au niveau du fluide caloporteur, la température à partir de laquelle les cheminées peuvent être prolongées par un tube métallique (10), réalisé dans une métallurgie adaptée, et/ou céramique. Le massif en ciment (11) sera choisi dans un matériau de type réfractaire d'une masse volumique comprise entre 500 kg/m3 et 2500 kg/m3, et ayant une composition en Al2O3, SiO2, CaO, Fe2O3, P2O5, telle que ce ciment puisse résister à des températures pouvant atteindre 1500°C. Par exemple, ce ciment peut être un ciment de type VIBRON 160 H ou le réfractaire GOLITE 125 XLW commercialisés par la société GOUDA. La nature du ciment, et particulièrement sa masse volumique, peuvent varier en fonction de l'emplacement, et de la forme de la partie en ciment considérée. Le réacteur échangeur selon la présente invention présente des conduits verticaux découpés dans le massif en ciment (11) définissant les cheminées en ciment (13). L'espace annulaire (9) compris entre la paroi des cheminées en ciment (13) et le tube externe (6), peut avoir une forme cylindrique ou bien, de manière préférée, une forme sensiblement conique de manière à moduler la vitesse de circulation du fluide caloporteur à l'intérieur de l'espace annulaire (9) entre une valeur comprise entre 10 m/s et 80 m/s, et préférentiellement comprise entre 20 m/s et 60 m/s.One of the ceramics that can be envisaged is silicon carbide (SiC or carborundum). The heat transfer fluid is introduced through the bottom convex bottom (3) of the reactor by means of the introduction pipe (F), is distributed in the different cement chimneys (13) and is collected in the upper part of the reactor by the tubing collection (G). The reactor according to the invention is particularly applicable to a heat transfer fluid available at a temperature above 1000 ° C, or even greater than 1200 ° C. It may be in particular a heat transfer fluid generated by a burner placed inside the exchanger reactor itself, generally at the level of the bottom curved bottom (3). The first part of cement chimneys (13) is therefore necessary to reach, at the level of the coolant, the temperature from which the chimneys can be extended by a metal tube (10), made in a suitable metallurgy, and / or ceramic. The cementitious mass (11) will be chosen from a refractory type material with a density of between 500 kg / m3 and 2500 kg / m3, and having a composition of Al 2 O 3 , SiO 2 , CaO, Fe 2 O 3 , P 2 O 5, such that this cement can withstand temperatures up to 1500 ° C. For example, this cement may be a type VIBRON 160 H cement or refractory GOLITE 125 XLW marketed by the company GOUDA. The nature of the cement, and particularly its density, may vary depending on the location, and the shape of the cement part considered. The exchanger reactor according to the present invention has vertical ducts cut in the cement bulk (11) defining the cement chimneys (13). The annular space (9) between the wall of the cement chimneys (13) and the outer tube (6) may have a cylindrical shape or, preferably, a substantially conical shape so as to modulating the circulation velocity of the heat transfer fluid within the annular space (9) between a value of between 10 m / s and 80 m / s, and preferably between 20 m / s and 60 m / s.
Dans une variante du réacteur échangeur selon l'invention, la hauteur des cheminées en ciment (13) s'étend sur toute la longueur des tubes à baïonnette (4) correspondant à la partie réactionnelle, dite en abrégé "longueur réactionnelle" (HR).In a variant of the exchanger reactor according to the invention, the height of the cement chimneys (13) extends over the entire length of the bayonet tubes (4) corresponding to the reaction portion, abbreviated as "reaction length" (HR) .
Lorsque le diamètre du réacteur est supérieur à 3 mètres, ce qui correspond à la majeure partie des cas, l'entrée et la sortie de chaque tube à baïonnette (4) se fait à l'extérieur du réacteur.When the diameter of the reactor is greater than 3 meters, which corresponds to most cases, the inlet and outlet of each bayonet tube (4) is outside the reactor.
Le massif en ciment (11) présente une section supérieure (20) approximativement plane et une section inférieure (21) qui peut avoir des formes diverses, par exemple celle d'une voûte unique, ladite voûte étant reliée au fond bombé inférieur (3) par l'intermédiaire de piliers (12) également en ciment.The cementitious mass (11) has an approximately planar upper section (20) and a lower section (21) which may have various shapes, for example that of a single arch, said arch being connected to the lower curved bottom (3) through pillars (12) also in cement.
Selon une autre variante du réacteur, le massif en ciment présente une section supérieure (20) approximativement plane et une section inférieure (21) constituée d'une série d'arches, chaque arche étant reliée au fond bombé inférieur (3) par des piliers (12) également en ciment.According to another variant of the reactor, the concrete block has an approximately flat upper section (20) and a lower section (21) consisting of a series of arches, each arch being connected to the lower convex bottom (3) by pillars (12) also in cement.
Lorsque la partie supérieure des cheminées (10) est constituée d'un tube métallique et/ou céramique, ce dernier repose sur la section supérieure (20) du massif en ciment (11).When the upper part of the chimneys (10) consists of a metal and / or ceramic tube, the latter rests on the upper section (20) of the cement block (11).
De manière générale, l'extrapolation du réacteur se fait par le nombre des tubes à baïonnette, la longueur réactionnelle (c'est à dire la longueur du tube remplie de catalyseur) desdits tubes à baïonnette étant généralement comprise entre 7 et 20 mètres, et préférentiellement comprise entre 8 et 17 mètres.In general, the extrapolation of the reactor is done by the number of bayonet tubes, the reaction length (ie the length of the catalyst-filled tube) of said bayonet tubes being generally between 7 and 20 meters, and preferably between 8 and 17 meters.
La présente invention peut également se définir comme un procédé de vaporeformage d'une coupe hydrocarbonée utilisant le réacteur selon la présente invention, dans lequel la vitesse de circulation du fluide caloporteur à l'intérieur des cheminées (13) est comprise entre 10 et 80 m/s, et préférentiellement comprise entre 20 et 60 m/s.The present invention can also be defined as a process for steam reforming a hydrocarbon fraction using the reactor according to the present invention, in which the speed of circulation of the heat transfer fluid inside the chimneys (13) is between 10 and 80 m. / s, and preferably between 20 and 60 m / s.
Le procédé de vaporeformage utilisant le réacteur selon la présente invention a généralement pour charge des coupes hydrocarbures ayant moins de 12 atomes de carbone, avec un rapport molaire vapeur d'eau sur hydrocarbures compris entre 2 et 6.The steam reforming process using the reactor according to the present invention is generally charged with hydrocarbon cuts having less than 12 carbon atoms, with a molar ratio of steam to water of between 2 and 6.
Dans un cas particulier, particulièrement intéressant dans le contexte de la réduction des gaz à effet de serre, le fluide caloporteur est constitué de fumées essentiellement constituées de vapeur d'eau, obtenues par la combustion d'hydrogène dans un brûleur situé à l'extérieur ou à l'intérieur du réacteur échangeur selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTIONIn a particular case, particularly interesting in the context of the reduction of greenhouse gases, the coolant consists of fumes consisting essentially of water vapor, obtained by the combustion of hydrogen in a burner located outside. or inside the exchanger reactor according to the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
La description qui suit sera mieux comprise au moyen des figures annexées. La figure 1 représente une vue du réacteur échangeur selon l'invention dans une variante selon laquelle l'intégralité des cheminées (13) entourant chaque tube à baïonnette (4) est constituée de ciment. La hauteur totale (HT) des cheminées est donc égale à la hauteur (HC) de la partie en ciment, et la hauteur totale (HT) est inférieure ou égale à la hauteur de la zone catalytique (HR).The description which follows will be better understood by means of the appended figures. FIG. 1 represents a view of the exchanger reactor according to the invention in a variant in which the entirety of the chimneys (13) surrounding each bayonet tube (4) is made of cement. The total height (HT) of the chimneys is therefore equal to the height (HC) of the cement part, and the total height (HT) is less than or equal to the height of the catalytic zone (HR).
Cette variante est dite "tout ciment". Le réacteur comprend une enveloppe cylindrique (1) fermée dans sa partie supérieure par un fond bombé supérieur (2), et dans sa partie inférieure par un fond bombé inférieur (3) .This variant is called "all cement". The reactor comprises a cylindrical envelope (1) closed in its upper part by an upper curved bottom (2), and in its lower part by a bottom curved bottom (3).
Le fluide caloporteur est généralement admis par le fond bombé inférieur (3) au moyen d'une tubulure (F) présentant un revêtement interne réfractaire, de manière à accepter un fluide caloporteur pouvant atteindre 1500°C. Le fluide caloporteur peut provenir de tout équipement de combustion générateur de fumées, généralement un brûleur situé à l'extérieur du réacteur échangeur, pouvant fonctionner sur n'importe quel type de combustible hydrocarbure.The heat transfer fluid is generally admitted by the bottom convex bottom (3) by means of a pipe (F) having a refractory lining, so as to accept a heat transfer fluid up to 1500 ° C. The heat transfer fluid can come from any combustion equipment generating smoke, generally a burner located outside the exchanger reactor, can operate on any type of hydrocarbon fuel.
Dans un cas particulier, ce combustible peut être de l'hydrogène, ou un gaz riche en hydrogène, qui permet de générer des fumées exempt de CO2, ce qui dans le contexte actuel de réduction des gaz à effet de serre, peut être un avantage décisif. Le fluide caloporteur s'engage à l'intérieur des cheminées (13) entourant chaque tube à baïonnette (4). La zone annulaire (9) séparant la paroi des cheminées (13) du tube externe (6) constituant le tube à baïonnette (4) est définie de manière à permettre au fluide caloporteur d'atteindre à l'intérieur des cheminées des vitesses comprises entre 10 m/s et 80 m/s, et préférentiellement comprises entre 20 m/s et 60 m/s. La zone annulaire (9) peut présenter un espacement variable de manière à permettre une modulation de la vitesse du fluide caloporteur depuis le bas de la cheminée vers le haut de la cheminée. Généralement, la vitesse du fluide caloporteur au point le plus bas des cheminées (13) est comprise entre 10 m/s et 80 m/s, préférentiellement comprise entre 20 m/s et 60 m/s, et la vitesse du fluide caloporteur au point le plus haut des cheminées est comprise entre 10 m/s et 50 m/s, préférentiellement comprise entre 20 m/s et 40 m/s . Le profil de l'espacement de la zone annulaire (9) peut être quelconque, mais est le plus souvent conique, avec une diminution de l'espacement en allant de bas en haut de manière à compenser l'augmentation de masse volumique du fluide caloporteur due au refroidissement de ce dernier.In a particular case, this fuel can be hydrogen, or a gas rich in hydrogen, which makes it possible to generate smoke free of CO2, which in the current context of reduction of greenhouse gases, can be an advantage decisive. The coolant engages inside the chimneys (13) surrounding each bayonet tube (4). The annular zone (9) separating the wall of the chimneys (13) from the outer tube (6) constituting the bayonet tube (4) is defined so as to allow the coolant to reach inside the chimneys speeds between 10 m / s and 80 m / s, and preferably between 20 m / s and 60 m / s. The annular zone (9) may have a variable spacing so as to allow a modulation of the heat transfer fluid velocity from the bottom of the chimney to the top of the chimney. Generally, the heat transfer fluid velocity at the lowest point of the chimneys (13) is between 10 m / s and 80 m / s, preferably between 20 m / s and 60 m / s, and the velocity of the coolant at highest point of the chimneys is between 10 m / s and 50 m / s, preferably between 20 m / s and 40 m / s. The profile of the spacing of the annular zone (9) can be arbitrary, but is most often conical, with a decrease of the spacing going from bottom to top so as to to compensate for the increase in the density of the heat transfer fluid due to the cooling of the latter.
Le fluide caloporteur est évacué du réacteur échangeur dans sa partie supérieure au moyen de la tubulure (G). Un tube à baïonnette (4) est constitué d'un tube interne (5) ouvert à ses deux extrémités entouré d'un tube externe (6) fermé à son extrémité inférieure. L'espace annulaire (8) compris entre le tube interne et le tube externe est généralement rempli de particules de catalyseur, au moins sur une partie de sa longueur, notée (HR).The coolant is removed from the exchanger reactor in its upper part by means of the tubing (G). A bayonet tube (4) consists of an inner tube (5) open at both ends surrounded by an outer tube (6) closed at its lower end. The annular space (8) between the inner tube and the outer tube is generally filled with catalyst particles, at least over part of its length, denoted (HR).
Généralement, le fluide réactionnel circule de manière descendante à l'intérieur de l'espace annulaire (8), puis remonte à l'intérieur du tube interne (5). D'autres modes de circulation sont néanmoins possibles, l'invention n'étant aucunement liée à la nature ascendante ou descendante de l'écoulement des fluides à l'intérieur des tubes à baïonnette (4).Generally, the reaction fluid flows down the inside of the annular space (8), then goes up inside the inner tube (5). Other modes of circulation are nevertheless possible, the invention being in no way related to the ascending or descending nature of the fluid flow inside the bayonet tubes (4).
Les réactions mises en jeu dans le réacteur échangeur selon l'invention sont des réactions fortement endothermiques, telles que la réaction de vaporeformage de coupe hydrocarbures en vue de produire un gaz de synthèse. Dans ce cas, les particules de catalyseur ont généralement la forme de petits cylindres de 1 à 2 cm de hauteur, et de diamètre compris entre 1 et 2 cm.The reactions involved in the exchanger reactor according to the invention are highly endothermic reactions, such as the hydrocarbon cutting vaporeforming reaction in order to produce a synthesis gas. In this case, the catalyst particles generally have the shape of small cylinders 1 to 2 cm high, and diameter between 1 and 2 cm.
D'autres formes sont également possibles, notamment des formes plus complexes présentant à la périphérie des parties convexes et des parties concaves, l'invention n'étant aucunement liée à la forme des particules de catalyseur. Le catalyseur occupe en partie ou en totalité l'espace annulaire compris entre le tube interneOther forms are also possible, especially more complex forms having at the periphery convex portions and concave portions, the invention being in no way related to the shape of the catalyst particles. The catalyst occupies part or all of the annular space between the inner tube
(5) et le tube externe (6) de chaque tube à baïonnette (4).(5) and the outer tube (6) of each bayonet tube (4).
En fonction de la capacité du réacteur échangeur, et plus particulièrement de son diamètre, le mode de supportage des tubes à baïonnette peut varier.Depending on the capacity of the exchanger reactor, and more particularly on its diameter, the support mode of the bayonet tubes may vary.
Généralement pour des diamètres de réacteur inférieurs à 3 mètres, le supportage se fait au moyen d'une plaque tabulaire à laquelle sont suspendus les tubes à baïonnette (4).Generally for reactor diameters of less than 3 meters, the support is done by means of a tabular plate to which are suspended the bayonet tubes (4).
Pour des réacteurs de diamètre plus importants pouvant aller jusqu'à 15 mètres, le supportage est assuré directement par le fond bombé supérieur (2) sur lequel sont fixés les tubes grâce à une soudure directe, ou bien à l'aide un assemblage par brides permettant le démontage des tubes à baïonnette. Dans le cas de réacteur de diamètre plus important, l'évacuation des effluents réactionnels du tube interne (5) se fait après que ledit tube interne (5) ait traversé le tube externe (6), tel que cela est représenté sur les figures 1 et 2. Les tubes internes (5) sont reliés à un collecteur (S) permettant la collecte des effluents réactionnels, et les tubes externes (6) sont alimentés par un collecteur d'entrée (D), permettant la distribution des fluides réactionnels dans chaque tube à baïonnette (4). Le dimensionnement du réacteur se fait par multiplication des tubes à baïonnette, les tubes ayant une longueur catalytique comprise entre 7 et 20 mètres, et préférentiellement comprise entre 8 et 17 mètres.For larger diameter reactors up to 15 meters, the support is provided directly by the upper curved bottom (2) on which the tubes are fixed by direct welding, or by means of a flange connection. allowing disassembly of the bayonet tubes. In the case of larger diameter reactor, the discharge of the reaction effluents from the inner tube (5) is after said inner tube (5) has passed through the outer tube (6), as shown in FIGS. and 2. The inner tubes (5) are connected to a collector (S) for collecting the reaction effluents, and the outer tubes (6) are fed by an inlet manifold (D), allowing the distribution of the reaction fluids in each tube. bayonet (4). The design of the reactor is done by multiplication of the bayonet tubes, the tubes having a catalytic length of between 7 and 20 meters, and preferably between 8 and 17 meters.
La longueur catalytique correspond à la portion du tube remplie de catalyseur. Compte tenu du fait que dans une configuration particulièrement adaptée aux grandes capacités visées par la présente invention, l'entrée et la sortie des tubes à baïonnette se font à l'extérieur du réacteur, la longueur totale du tube à baïonnette à l'intérieur du réacteur est comprise entre 15 et 20 mètres.The catalytic length corresponds to the portion of the tube filled with catalyst. In view of the fact that in a configuration particularly adapted to the large capacities covered by the present invention, the entry and the exit of the bayonet tubes are outside the reactor, the total length of the bayonet tube inside the reactor is between 15 and 20 meters.
L'augmentation du nombre de tubes à baïonnette se traduit par une augmentation du diamètre du réacteur qui peut atteindre 20 mètres, mais se situe préférentiellement pour les grandes capacités visées dans la plage de 10 à 15 mètres. La figure 2 est identique à la figure 1 à l'exception de la partie supérieure des cheminées (13) qui n'est plus en ciment mais devient métallique et/ou céramique (10). Plus précisément, le massif en ciment (11) dans lequel sont découpées les cheminées (13) s'étend sur une certaine hauteur (HC) inférieure à la hauteur totale (HT) des cheminées (13). Au dessus de cette hauteur (HC), les cheminées (13) sont constituées d'un tube métallique et/ou céramique (10) reposant sur la section supérieure (20) du massif en ciment (11).The increase in the number of bayonet tubes results in an increase in the diameter of the reactor which can reach 20 meters, but is preferentially for large capacities in the range of 10 to 15 meters. Figure 2 is identical to Figure 1 except for the upper part of the chimneys (13) which is no longer cement but becomes metallic and / or ceramic (10). More precisely, the cement mass (11) in which the chimneys (13) are cut out extends over a certain height (HC) less than the total height (HT) of the chimneys (13). Above this height (HC), the chimneys (13) consist of a metal and / or ceramic tube (10) resting on the upper section (20) of the cement block (11).
La configuration correspondante à cette solution est dite "mixte". La longueur totale (HT) des cheminées est toujours inférieure ou égale à la hauteur de la zone catalytique ( HR). La figure 3 représente un massif en ciment (11) avec une face inférieure (21) en forme de voûte unique. Un mode de liaison possible du massif en ciment (11) avec le fond bombé (3) du réacteur peut être constituée de piliers (12) s'intercalant entre' les emplacements correspondants aux tubes à baïonnette (4). Ces piliers (12) peuvent être sensiblement verticaux, comme représentés sur la figure 3. Ils peuvent dans certains cas, en fonction de contraintes purement géométriques, être plus ou moins inclinés. La figure 4 représente un massif en ciment (11) avec une face inférieure (21) en forme de voûte multiple, chaque voûte correspondant à une rangée de tubes à baïonnette. Les voûtes se prolongent par des piliers sensiblement verticaux (12) qui viennent s'appuyer sur le fond bombé (3). D'autres configurations de la face inférieure (21) du massif en ciment (11) sont possibles, ainsi que des formes diverses d'éléments de liaison dudit massif (11) avec le fond bombé (3). Les configurations illustrées par les figures 3 et 4 ne sont nullement limitatives. La figure 5 représente de manière plus précise la configuration dite "mixte" correspondant à une partie inférieure des cheminées en ciment (13), et une partie supérieure des cheminées métallique et/ou céramique (10). L'espace annulaire (9) compris entre les cheminées en ciment (13) et le tube externe (6) est conique de manière à permettre une certaine accélération de la vitesse d'écoulement du fluide caloporteur de bas en haut. Cet espace annulaire (9) reste constant lorsque la paroi des cheminées (10) devient métallique ou céramique. La figure 5 permet de visualiser l'emplacement des particules de catalyseur dans l'espace annulaire (8) compris entre le tube externe (6) et le tube interne (5) de chaque tube à baïonnette (4), et le fait que les cheminées métalliques et/ou céramique (10) reposent sur la face supérieure (20) du massif en ciment (11).The configuration corresponding to this solution is called "mixed". The total length (HT) of the chimneys is always less than or equal to the height of the catalytic zone (HR). FIG. 3 represents a concrete block (11) with a lower face (21) in the form of a single arch. A possible binding mode of the solid cement (11) with the curved bottom (3) of the reactor can consist of pillars (12) being interposed between 'the locations corresponding to the bayonet tubes (4). These pillars (12) may be substantially vertical, as shown in Figure 3. They may in some cases, depending on purely geometric constraints, be more or less inclined. FIG. 4 shows a cement base (11) with a lower face (21) in the form of a multiple arch, each arch corresponding to a row of bayonet tubes. The arches are extended by substantially vertical pillars (12) which rest on the curved bottom (3). Other configurations of the lower face (21) of the cement mass (11) are possible, as well as various forms of connecting elements of said mass (11) with the curved bottom (3). The configurations illustrated in FIGS. 3 and 4 are in no way limiting. Figure 5 shows more precisely the so-called "mixed" configuration corresponding to a lower portion of the cement chimneys (13), and an upper portion of the metal and / or ceramic chimneys (10). The annular space (9) between the cement chimneys (13) and the outer tube (6) is conical so as to allow some acceleration of the flow velocity of the coolant from bottom to top. This annular space (9) remains constant when the wall of the chimneys (10) becomes metallic or ceramic. FIG. 5 shows the location of the catalyst particles in the annular space (8) between the outer tube (6) and the inner tube (5) of each bayonet tube (4), and the fact that the metal and / or ceramic chimneys (10) rest on the upper face (20) of the cement base (11).
EXEMPLEEXAMPLE
Un exemple des dimensions et performances d'un réacteur selon l'invention est donné ci- après.An example of the dimensions and performance of a reactor according to the invention is given below.
Le réacteur est conforme à la figure 2 et présente des cheminées dont une première partie inférieure est en ciment ( HC) et s'étend sur une hauteur de 4 mètres. La partie supérieure des cheminées est métallique et s'étend sur une hauteur de 10 mètres.The reactor is in accordance with FIG. 2 and has chimneys whose first lower part is made of cement (HC) and extends over a height of 4 meters. The upper part of the chimneys is metallic and extends over a height of 10 meters.
La hauteur totale des cheminées (HT) est de 14 mètres.The total height of the chimneys (HT) is 14 meters.
La partie annulaire (8) des tubes à baïonnette (4) est remplie d'un catalyseur de vaporeformage sur une hauteur (HR) de 17 mètres.The annular portion (8) of the bayonet tubes (4) is filled with a steam reforming catalyst at a height (RH) of 17 meters.
Les hauteurs sont toutes repérées par rapport à l'extrémité inférieure des tubes à baïonnette. Le réacteur de vaporeformage traite un débit de 26550 kg/h de gaz naturel et de 76292 kg/h de vapeur d'eau (rapport H20/HC = 2,87)The heights are all marked with respect to the lower end of the bayonet tubes. The steam reforming reactor processes a flow rate of 26550 kg / h of natural gas and 76292 kg / h of steam (H20 / HC ratio = 2.87)
La charge du réacteur échangeur est constituée de gaz naturel (GN) de composition donnée dans le tableau ci dessous: The charge of the exchanger reactor consists of natural gas (NG) of composition given in the table below:
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0001
Les caractéristiques de fonctionnement du réacteur sont données ci dessous à titre purement illustratif: Débit de charge GN (avant ajout eau) : 26550 kg/h Rapport molaire H20/hydrocarbures (H2O/HC) = 2,87 Température d'entrée du gaz naturel = 3710C Température de l'effluent en sortie de zone catalytique = 900°C Température de sortie de l'effluent = 632°C Les effluents du réacteur sont données dans le tableau 2 ci dessous:The operating characteristics of the reactor are given below purely for illustrative purposes: GN feedrate (before addition of water): 26550 kg / h H20 / hydrocarbons molar ratio (H 2 O / HC) = 2.87 natural gas = 371 ° C. Temperature of the effluent leaving the catalytic zone = 900 ° C. Output temperature of the effluent = 632 ° C. The effluents from the reactor are given in Table 2 below:
Figure imgf000013_0002
Figure imgf000013_0002
TABLEAU 2 L'entrée du gaz naturel se fait en partie supérieure des tubes à baïonnette, par le tube externeTABLE 2 The natural gas inlet is at the top of the bayonet tubes, through the outer tube
(6), dans l'espace annulaire (8) partiellement rempli de catalyseur.(6) in the annular space (8) partially filled with catalyst.
La fin de la zone catalytique correspond à l'extrémité inférieure du tube à baïonnette, et la sortie de l'effluent réactionnel se fait en partie supérieure des tubes à baïonnette par le tube interne (5).The end of the catalytic zone corresponds to the lower end of the bayonet tube, and the outlet of the reaction effluent is in the upper part of the bayonet tubes by the inner tube (5).
La composition du fluide caloporteur (issu de la combustion d'un gaz riche en hydrogène dans l'air) est donnée dans le tableau 3 ci dessous:The composition of the coolant (resulting from the combustion of a hydrogen-rich gas in the air) is given in Table 3 below:
Figure imgf000014_0001
Figure imgf000014_0001
TABLEAU 3TABLE 3
Le débit du fluide caloporteur est de: 360 000 kg/hThe flow rate of the coolant is: 360 000 kg / h
La température d'entrée du fluide caloporteur est de: 1293°CThe inlet temperature of the coolant is: 1293 ° C
Les dimensions du réacteur en tenant compte des contraintes mécaniques d'implantation des tubes à baïonnette sont: Diamètre externe des tubes à baïonnette : 170 mmThe dimensions of the reactor taking into account the mechanical stresses of implantation of the bayonet tubes are: External diameter of the bayonet tubes: 170 mm
Nombre de tubes à baïonnette : 321 tubesNumber of bayonet tubes: 321 tubes
Diamètre extérieur du réacteur : 10, 4 mOutside diameter of the reactor: 10.4 m
Hauteur totale du réacteur : 20 mTotal height of the reactor: 20 m
Hauteur des cheminées en ciment (HC) : 4 m Hauteur des cheminées métalliques (HT-HC) :10 mHeight of cement chimneys (HC): 4 m Height of metal chimneys (HT-HC): 10 m
Hauteur totale des cheminées (HT): 14 mTotal height of chimneys (HT): 14 m
Hauteur totale des tubes à baïonnette (HB): 20 mTotal height of the bayonet tubes (HB): 20 m
Hauteur catalytique (HR): 17 mCatalytic height (HR): 17 m
Le massif en ciment (11) est constitué d'une partie inférieure, incluant les piliers de raccordement (12) au fond bombé inférieur (3), réalisée en ciment réfractaire de masse volumique 2500 kg/m3, et d'une partie supérieure réalisée dans un ciment réfiractaire de masse volumique 500 kg/m3. The cement base (11) consists of a lower part, including the connecting pillars (12) with the bottom curved bottom (3), made of refractory mass cement volume 2500 kg / m 3 , and an upper part made in a cement density 500 kg / m 3 refiractaire.

Claims

REVENDICATIONS
1) Réacteur échangeur adapté à la mise en oeuvre de réactions fortement endothermiques, consistant en une calandre de forme cylindrique (1) fermée à sa partie supérieure par un fond bombé supérieur (2) et à sa partie inférieure par un fond bombé inférieur (3), la dite calandre enfermant une pluralité de tubes à baïonnette (4) parallèles entre eux et s'étendant selon un axe sensiblement vertical, les dits tubes à baïonnette étant remplis de catalyseur dans leur partie annulaire sur une hauteur (HR), dite hauteur catalytique à l'intérieur de laquelle circule le fluide réactionnel, le fluide caloporteur étant introduit dans la calandre par le fond inférieur (3) et circulant autour des tubes à baïonnette (4) dans des cheminées (13) de hauteur totale (HT), les dites cheminées étant, dans leur partie inférieure, délimitées par des conduits découpés à l'intérieur d'un massif en ciment (11) reposant sur le fond inférieur (3) et s'étendant jusqu'à une hauteur (HC) inférieure ou égale à la hauteur totale (HT) des cheminées (13).1) exchanger reactor adapted to the implementation of highly endothermic reactions, consisting of a cylindrical calender (1) closed at its upper part by an upper curved bottom (2) and at its lower part by a bottom convex bottom (3); ), said calender enclosing a plurality of bayonet tubes (4) parallel to each other and extending along a substantially vertical axis, said bayonet tubes being filled with catalyst in their annular part over a height (RH), called height catalytic inside which the reaction fluid circulates, the coolant being introduced into the shell by the lower bottom (3) and circulating around the bayonet tubes (4) in chimneys (13) of total height (HT), said chimneys being, in their lower part, delimited by ducts cut inside a concrete block (11) resting on the bottom bottom (3) and extending up to an hour author (HC) less than or equal to the total height (HT) of the chimneys (13).
2) Réacteur échangeur selon la revendication 1 , dans lequel la hauteur totale (HT) des cheminées est inférieure ou égale à la hauteur catalytique (HR) des tubes à baïonnette (4).2) exchanger reactor according to claim 1, wherein the total height (HT) of the chimneys is less than or equal to the catalytic height (RH) of the bayonet tubes (4).
3) Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel les cheminées (13) comporte une partie inférieure de hauteur (HC) en ciment, suivie d'une partie supérieure soit métallique, soit céramique, soit composée d'un assemblage métal / céramique, la hauteur totale des cheminées (HT) étant inférieure à la hauteur de la zone catalytique (HR).3) exchanger reactor according to any one of claims 1 to 2, wherein the chimneys (13) comprises a lower portion of height (HC) cement, followed by an upper part is either metallic or ceramic, or composed of a metal / ceramic assembly, the total height of the stacks (HT) being lower than the height of the catalytic zone (HR).
4) Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel, les cheminées (13) sont en ciment sur toute leur longueur (HT).4) exchanger reactor according to any one of claims 1 to 2, wherein, the chimneys (13) are cement over their entire length (HT).
5) Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel, lorsque le diamètre du réacteur est supérieur à 3 mètres, l'entrée et la sortie de chaque tube à baïonnette (4) se fait à l'extérieur du réacteur.5) exchanger reactor according to any one of claims 1 to 4, wherein, when the reactor diameter is greater than 3 meters, the inlet and outlet of each bayonet tube (4) is outside the reactor.
6) Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le massif en ciment (11) a une section supérieure (20) approximativement plane, et une section inférieure (21) en forme de voûte unique, ladite voûte étant reliée au fond bombé inférieur (3) par l'intermédiaire de piliers (12) également en ciment.6) exchanger reactor according to any one of claims 1 to 5, wherein the cement base (11) has an approximately flat upper section (20), and a section lower (21) in the form of a single arch, said vault being connected to the lower curved bottom (3) via pillars (12) also made of cement.
7) Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le massif en ciment (11) a une section supérieure (20) approximativement plane, et une section inférieure (21) constituée d'une série d'arches, chaque arche étant reliée au fond bombé inférieur (3) par l'intermédiaire de piliers (12) également en ciment.7) exchanger reactor according to any one of claims 1 to 5, wherein the cement base (11) has an upper section (20) approximately flat, and a lower section (21) consisting of a series of arches, each arch being connected to the lower curved bottom (3) via pillars (12) also made of cement.
8) Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel lorsque la partie supérieure des cheminées est constituée d'un tube métallique (10), ce dernier repose sur la section supérieure (20) du massif en ciment (11).8) Reactor exchanger according to any one of claims 1 to 7, wherein when the upper part of the chimneys consists of a metal tube (10), the latter rests on the upper section (20) of the cement block (11). ).
9) Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel lorsque la partie supérieure des cheminées est constituée d'un tube céramique (10), ce dernier repose sur la section supérieure (20) du massif en ciment (11).9) exchanger reactor according to any one of claims 1 to 7, wherein when the upper part of the chimneys consists of a ceramic tube (10), the latter rests on the upper section (20) of the cement block (11). ).
10) Réacteur échangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la longueur des tubes à baïonnette (4) correspondant à la partie réactionnelle de hauteur catalytique (HR), est comprise entre 7 et 20 mètres.10) exchanger reactor according to any one of claims 1 to 9, wherein the length of the bayonet tubes (4) corresponding to the reaction portion of catalytic height (HR) is between 7 and 20 meters.
11) Procédé de vaporeformage d'une coupe hydrocarbonée utilisant le réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la vitesse de circulation du fluide caloporteur à l'intérieur des cheminées est comprise entre 10 et 80 m/s.11) Process for steam reforming a hydrocarbon fraction using the reactor according to any one of claims 1 to 10, wherein the velocity of circulation of the heat transfer fluid inside the chimneys is between 10 and 80 m / s.
12) Procédé de vaporeformage d'une coupe hydrocarbonée selon la revendication 11, dans lequel le fluide caloporteur est constitué de fumées obtenues par la combustion d'hydrogène dans un brûleur situé à l'extérieur du réacteur échangeur.12) A process for steam reforming a hydrocarbon fraction according to claim 11, wherein the heat transfer fluid consists of fumes obtained by the combustion of hydrogen in a burner located outside the exchanger reactor.
13) Procédé de vaporeformage d'une coupe hydrocarbonée selon la revendication 11, dans lequel la coupe hydrocarbonée est constituée de molécules à moins de 12 atomes de carbone, avec un rapport molaire vapeur d'eau sur hydrocarbures compris entre 2 et 6. 14) procédé de vaporeformage d'une coupe hydrocarbonée selon la revendication 11, dans lequel ledit réacteur possède des cheminées (13) de section variable, typiquement conique, de manière à moduler la vitesse de circulation du fluide caloporteur à l'intérieur de l'espace annulaire (9) compris entre la paroi des cheminées (13) et le tube externe (5), entre une valeur comprise entre 10 et 80 m/s, et préférentiellement comprise entre 20 et 60 m/s. 13) A process for steam reforming a hydrocarbon fraction according to claim 11, wherein the hydrocarbon fraction consists of molecules with less than 12 carbon atoms, with a molar ratio of water vapor on hydrocarbons of between 2 and 6. 14) method of steam reforming a hydrocarbon fraction according to claim 11, wherein said reactor has stacks (13) of variable section, typically conical, so as to modulate the circulation velocity of the heat transfer fluid inside the annular space (9) between the wall of the chimneys (13) and the outer tube (5), between a value of between 10 and 80 m / s, and preferably between 20 and 60 m / s.
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