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PROCEDE DE POLYMERISATION CATALYTIQUE DANS UN LIT FLUIDIFIE VERTICAL ROTATIF
Description
La présente invention se rapporte à la polymérisation catalytique dans un lit fluidifié, tournant dans un ré- acteur cylindrique grâce à l'injection tangentielle de fluides réactifs, gazeux ou liquide, depuis la paroi latérale du réacteur ou de galeries internes longeant cette paroi, vers une cheminée centrale traversant le réacteur d'une extré- mité à l'autre, autour de son axe de symétrie, et munies d'ouvertures régulièrement réparties par où ces fluides sont évacués.
La polymérisation d'un mélange de fluides réactifs, gazeux ou liquides, contenant le ou les monomères à polymériser, dans un réacteur à lit fluidifié, où les particules de polymère qui sont formées en présence d'un sys- tème catalytique sont maintenues à l'état fluide, sans l'aide d'agitateurs, par le mouvement ascendant du mélange de fluides réactifs est bien connu. Lorsque ce mélange de fluides réactifs est séparé des particules avant de quitter le réacteur, délimitant ainsi une surface de séparation, généralement horizontale, ce mélange de fluides réactifs s'échappe vers le haut du réacteur, généralement sous forme gazeuse, pour être recyclé généralement dans le bas du réacteur, sous forme liquide ou gazeuse, après un traitement approprié dans des dispositifs de recyclage.
Dans la présente invention, des mélanges de fluides réactifs se déplacent en tournant dans des tranches horizontales d'un réacteur cylindrique vertical, depuis sa paroi latérale, d'où ils sont injectés, approximativement horizontalement et tangentiellement à cette paroi, vers des ouvertures d'une cheminée centrale, qui peut compren- dre plusieurs tubes d'évacuation qui peuvent évacuer séparément les différents mélanges de fluides réactifs traver- sant les différentes tranches du réacteur vers des dispositifs indépendants de purification et de recyclage , afin de maintenir des compositions et/ou des températures différentes de ces mélanges de fluides réactifs dans ces différen- tes tranches ou zones du réacteur.
Dans la présente invention le réacteur vertical contient, d'une extrémité à l'autre, une succession de spires hélicoïdales fixes, entourant la cheminée centrale à une certaine distance de celle-ci et fixées contre ou à une petite distance de la paroi latérale du réacteur, afin d'entraîner vers le haut les particules de polymère, qui, entraînées par la rotation du mélange de fluides réactifs, tournent entre les parois des spires hélicoïdales. Les particules de poly- mère retombent ensuite, sous l'effet de la gravité, dans l'espace libre de chaque côté de ces parois.
Ainsi les particules de polymère, qui sont confinées par la force centrifuge et les spires hélicoïdales dans un lit fluidifié vertical, localisé entre la paroi latérale cylindrique du réacteur et une surface de séparation approxi- mativement cylindrique, localisée entre la succession de spires hélicoïdales et la cheminée centrale, montent entre les parois des spires hélicoïdales et redescendent de chaque côté de ces parois, en suivant des trajectoires hélicoïda- les, traversant ainsi les différentes zones du réacteur plusieurs fois avant d'en être évacuées, ce qui permet de leur donner une composition bi ou multimodale homogène.
Le réacteur peut être horizontal, si la force de gravité est remplacée par une deuxième succession de spi- res hélicoïdales fixes, concentriques aux premières et orientées dans le sens opposé. Ainsi les particules de poly- mère se déplacent de droite à gauche sous l'influence d'une succession de spires hélicoïdales et de gauche à droite sous l'influence de l'autre. La vitesse de rotation des particules doit être suffisante pour que la force centrifuge soit substantiellement supérieure à la pesanteur.
Dans la présente invention, la force centrifuge permet de faire traverser le lit fluidifié par les mélanges de fluides réactifs à des vitesses plus grandes que celles permises dans les lits fluidifiés basés sur la seule force de gra- vité ou d'utiliser des fluides d'une densité plus proche de celle des particules de polymère et la forme approximati- vement cylindrique du lit fluidifié permet d'obtenir un rapport entre sa surface et son épaisseur d'un ordre de gran- deur supérieur aux rapports obtenus dans les lits fluidifiés classiques. Ceci permet d'obtenir de courts temps de sé- jour des fluides réactifs dans le lit fluidifié et ainsi d'obtenir de grandes capacités de refroidissement et un bon
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contrôle de la température des particules de polymère.
Ceci permet d'utiliser des systèmes catalytiques très actifs et des mélanges de fluides réactifs concentrés permettant d'atteindre des vitesses de polymérisation élevées avec des temps de résidence des particules de polymère dans le réacteur relativement courts.
La figure 1 montre la projection d'une demi section d'un réacteur cylindrique vertical, servant à polymériser, en présence d'un système catalytique, des particules en suspension dans un mélange de fluides réactifs, liquides ou gazeux. On en voit la section de sa paroi latérale (2) et son axe de symétrie cylindrique (1).
Un dispositif d'injection de mélanges de fluides réactifs dans le réacteur est schématisé par un cylindre de section (3), qui longe, à petite distance, la surface latérale du réacteur et qui est perforé de nombreux trous (4).
L'espace entre ce cylindre et la paroi du réacteur est divisé en plusieurs tronçons par des cloisons annulaires (5) et il est alimenté en mélanges de fluides réactifs sous pression par des tubes d'entrée (6). Ces mélanges de fluides réactifs sont injectés dans le réacteur approximativement horizontalement et tangentiellement à sa paroi par de nombreux tubes d'injection qui traversent les trous de ce cylindre perforé et dont on voit les sorties (7), qui sortent de la surface de ce cylindre à l'arrière plan. L'injection se fait dans le sens des flèches, c'est-à-dire de gauche à droite.
Un dispositif d'évacuation des mélanges de fluides réactifs est schématisé par une buse centrale (8), traversant le réacteur, de haut en bas, autour de son axe de symétrie (1), et comprenant de nombreuses ouvertures (9), réparties régulièrement le long de sa surface et profilées afin de faciliter l'entrée des fluides tournant rapidement dans le réacteur et de les guider vers ses sorties. La buse centrale est divisée par des cloisons dont on voit les sections (10), qui délimitent des zones indépendantes, reliées à l'extérieur par les tubes principaux de sortie (8.1) et (8. 2) et un tube intérieur de sortie (11).
Ces tubes sont reliés à des dispositifs (12) de refroidissement, de purification et/ou de séparation d'où les fluides sont recyclés par les tubes d'entrée (6) qui alimentent les zones du réacteur qui se trouvent plus ou moins au même niveau que les zones de la buse centrale d'où proviennent ces fluides recyclés. De cette manière les fluides se déplacent à l'intérieur de tranches approximativement horizontales du réacteur, ce qui permet de limiter leur mélange entre les différentes zones.
Une succession de spires hélicoïdales (13), montrées en entier et fixées au réacteur (2) par des attaches non montrées sur la figure, traverse le réacteur, de haut en bas, dans l'espace cylindrique entre le cylindre perforé (3) et la buse centrale (8), de telle manière que les fluides, qui tournent rapidement dans le sens ascensionnel des spires, entraînent vers le haut du réacteur les particules de polymère situées dans l'espace hélicoïdal entre les parois des spires hélicoïdales, appelé le canal hélicoïdal ascendant.
La force centrifuge pousse les particules vers la paroi du cylindre perforé. Un espace libre cylindrique, appelé l'espace libre latéral, relativement mince, entre la succession des spires hélicoïdales et le cylindre perforé, permet aux particules de polymère, qui sont montées dans le canal hélicoïdal ascendant, de redescendre sous l'effet de la gravité et de la force centrifuge, dans le bas du réacteur.
Si la vitesse de rotation et donc le débit ascensionnel des particules dans le canal hélicoïdal ascendant est suffisant, cet espace mince sera insuffisant pour permettre à la totalité des particules d'y redescendre. Dans ce cas, les particules en suspension dans les fluides vont s'accumuler dans le canal hélicoïdal ascendant jusqu'à ce que la surface du lit fluidifié atteigne l'espace libre cylindrique, appelé l'espace libre central, relativement large, situé entre la buse centrale et l'ensemble des spires hélicoïdales, permettant au reste des particules de retomber dans le bas du réacteur et aux fluides, qui, ayant tourné dans le canal ascendant, y sont un peu montés, de redescendre au niveau de la zone de la buse centrale qui correspond à peu près à l'entrée qu'ils ont utilisée.
Les spires hélicoïdales sont caractérisées par leur largeur (14) et donc aussi celle du canal hélicoïdal ascendant, les largeurs (15) et (16) de l'espace libre central et latéral, leur pas (17) et enfin la hauteur (18) qui les séparent l'une de l'autre et qui est aussi la hauteur du canal ascendant. Si le pas des spires hélicoïdales (17) est égal à la distance (18) qui les séparent, la succession des spires peut former une hélice hélicoïdale fixe continue.
Sur la figure 1, le pas des spires hélicoïdales (17) est plus petit que la hauteur (18) du canal ascendant.
Les particules de polymère doivent effectuer en moyenne un nombre de tours égal au rapport de la hauteur du canal
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ascendant et du pas des spires avant de passer d'une spire à la spire supérieure. Le pas des spires peut aussi être plus grand que la hauteur du canal ascendant et les dimensions des spires peuvent varier d'une spire à l'autre. On peut changer une spire sans enlever les autres, en la faisant tourner jusqu'au sommet du réacteur.
Un ou plusieurs dispositif d'alimentation (19) permettent d'introduire le catalyseur ou système catalytique de polymérisation dans le réacteur et une ou plusieurs ouvertures (20) dans le bas ou n'importe où le long du réacteur permettent de sortir les particules de polymère en suspension dans les fluides.
L'espace libre central doit être suffisamment large et la vitesse d'injection des fluides dans le réacteur doit être suffisante pour faire tourner les fluides et les particules entraînées par les fluides à une vitesse de rotation suffisamment rapide pour que la force centrifuge assure une bonne séparation entre les particules et les fluides avant que ces derniers ne pénètrent dans la buse central, formant ainsi un lit fluidifié dont la surface de séparation est située dans l'espace libre central, entre la buse centrale et l'ensemble de spires hélicoïdales. Sa forme approximativement cylindrique est déformée par des ondulations hélicoïdales dues à la chute des particules de polymère le long du bord intérieur des spires, sous l'action conjuguée de la force de gravité et de la force centrifuge.
Ainsi les particules suivent des trajectoires hélicoïdales ascendantes dans le canal hélicoïdal ascendant et descendantes dans l'espace libre central et latéral.
Si la quantité des particules de polymère en suspension dans le fluide augmente, la surface de séparation du lit fluidifié se rapprochera de la buse centrale au risque d'y entraîner les particules. Pour l'éviter, des détecteurs de particules de polymère (21) permettent d'ajuster le débit de sortie des particules en suspension dans les fluides, afin de maintenir la surface du lit fluidifié à une distance suffisante de la buse centrale.
L'ensemble de ce dispositif permet d'installer plusieurs circuits séparés de recyclage des mélanges de fluides afin de maintenir des températures et des compositions différentes et donc des conditions de polymérisation différentes dans les différentes wnes du réacteur. Si le temps de résidence des particules de polymère en formation est suffisant pour qu'elles parcourent plusieurs fois le réacteur de bas en haut et de haut en bas avant d'en sortir, elles auront une composition bimodale ou multimodale relativement homogène.
La figure 1 montre aussi la possibilité d'insérer dans la buse centrale des tubes d'alimentation (22) reliés à des injecteurs (23) pulvérisant des liquides à l'intérieur du réacteur dans des wnes choisies.
Les dispositifs d'alimentation et d'évacuation des fluides et les spires hélicoïdales peuvent avoir différentes formes et différentes dimensions. Les figures 2 à 6 en montrent quelques exemples qui peuvent être utilisés en combinaison.
La figure 2. a montre la projection d'une section de la partie médiane du réacteur (2) dans lequel le dispositif d'alimentation des fluides dans le réacteur est assuré par des tubes d'injection (7), qui sont répartis régulièrement le long d'une galerie hélicoïdale (24) et (25), contre la paroi latérale du réacteur et appelée la galerie hélicoïdale descendante, si elle s'enroule dans le sens contraire de la succession des spires hélicoïdales ascendantes et la figure 2. b montre, à l'intérieur de la même partie du même réacteur (2), des spires hélicoïdales ascendantes (13) de différentes dimensions et un dispositif d'évacuation des fluides composé de buses coniques évasées ou recourbées, montrées en entier, (31) et (32), ou en coupe, (33) et (34), s'emboîtant l'une dans l'autre .
Les trois spires supérieures de la galerie hélicoïdale descendante, visibles en entier, montre leur face (25) située contre le réacteur à l'avant plan, tandis que seule la partie des autres spires de la galerie située à l'arrière plan est montrée avec ses faces intérieures (24) et ses sections creuses (26). Cette galerie hélicoïdale est alimentée par les tubes d'entrée (6) situés, sur cette figure, tous les trois demis tours de la galerie.
Afin de réduire au minimum le volume occupé par la galerie hélicoïdale descendante et donc d'augmenter l'espace disponible pour le lit fluidifié, sa hauteur varie dans de fortes proportions. Elle est maximum (27), en face des tubes d'entrée, et minimum (28), à mi-distance entre les tubes d'entrée, là où la circulation du fluide dans la galerie est quasiment nulle. La largeur (29) de la galerie est constante, ainsi que la hauteur (30) de l'espace libre hélicoïdal, entre les spires de la galerie, appelé le canal hélicoïdal descendant.
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Les buses coniques, de (31) à (34), sont fixées autour des tubes intérieurs de sortie (11) ou dans leur extrémité conique évasée (35) ou recourbée (36). Elles sont séparées par des ailettes, non visibles, afin de guider les fluides tournant autour d'elles vers les sorties du réacteur et d'assurer leur répartition régulière. Un insert (37) relie les buses supérieures aux buses inférieures afin de rigidifier cet ensemble de buses appelé la cheminée centrale. Afin de réduire au minimum le volume occupé par la cheminée centrale, le diamètre des buses coniques se rétrécit au fur et à mesure qu'elles se rapprochent de l'insert (37), car le débit du fluide remontant ou descendant à l'intérieur de celles-ci y diminue.
Les flèches (41) et (42) montrent que les fluides se déplacent de droite à gauche à l'avant plan et de gauche à droite à l'arrière plan.
Les dimensions des différents dispositifs peuvent varier d'une zone à l'autre du réacteur. Ainsi, dans le cadre (38), délimité par des étoiles, entourant la zone médiane du réacteur, évacuée par les buses coniques s'emboîtant à l'intérieur des extrémités coniques (35) et (36) des tubes intérieurs (11.1) et (11.2), le pas (17.
1) des spires hélicoïdales ascendantes, les hauteurs (27.1) et (28.1) de la galerie hélicoïdale descendante, la hauteur (30.1) du canal hélicoïdal descendant et le diamètre des tubes d'entrée ont été fortement réduits afin d'augmenter le nombre de tours que les particules de polymère doivent parcourir dans cette zone, appelée zone de séparation ou de transition, et donc leur temps de transfert entre la zone inférieure et la zone supérieure du réacteur, afin d'en extraire les fluides indésirables avant de passer dans l'autre zone.
En outre, la spire hélicoïdale ascendante supérieure (13. 1) dans le cadre (31) a été rétrécie vers le centre d'une largeur (39) à l'extérieur et (40) à l'intérieure, afin de permettre à la totalité des particules de retomber dans l'espace libre latéral agrandi et de les empêcher de tomber dans l'espace libre central rétréci, retardant ainsi le transfert des particules situées près de la surface du lit fluidifié de la zone supérieure.
Comme la galerie hélicoïdale du réacteur de la figure 2 est une deuxième succession de spires hélicoïdales orientées dans le sens opposé de la première, il peut être horizontal plutôt que vertical. Dans ce cas, le canal hélicoïdal descendant peut s'appeler le canal hélicoïdal extérieur ou latéral et le canal hélicoïdal ascendant peut s'appeler le canal hélicoïdal intérieur ou central. Les dimensions de ces canaux doivent être ajustées pour que les flux de particules dans les deux canaux soient environ égaux. Il faut aussi tenir compte du ralentissement des particules de polymères sous l'effet de la gravité lorsqu'elles montent dans la partie supérieure du réacteur et inversement une accélération des particules de polymères lorsqu'elles descendent dans sa partie inférieure.
Ceci entraîne une différence d'épaisseur du lit fluidifié entre sa partie supérieure et inférieure qui sera d'autant plus grande que la vitesse de rotation est faible. Ceci peut nécessiter de décaler la cheminée centrale par rapport à l'axe de symétrie cylindrique du réacteur et d'altérer la symétrie cylindrique des spires hélicoïdales. Il est aussi souhaitable, afin d'éviter la chute de particules de polymères dans la cheminée centrale lors des arrêts, de n'y avoir que des ouvertures orientées vers le bas.
La figure 3 montre une perspective axonométrique des trois buses coniques évasées inférieures, de (31.1) à (31. 3), au-dessus de l'insert (37), et des trois buses coniques recourbées supérieures, de (32. 1) à (32. 3), endessous de l'insert (37), afin de montrer les ailettes (43) et (44), qui les séparent. La buse (31. 2) a été soulevée et la buse (32. 3) a été abaissée pour mieux montrer comment elles s'emboîtent sur les ailettes (43) et (44).
Les figure 4. a et 4. b montrent une coupe verticale, suivant le plan BB', et une coupe horizontale, suivant le plan AA', de la partie médiane d'un autre dispositif d'évacuation des fluides composé de buses cylindriques de sections (46), percées d'ouvertures (9) et s'emboîtant l'une dans l'autre. Des coupes d'ailettes (47), à l'extérieure des buses, et de déflecteurs (48) à l'intérieur des buses sont schématisées le long des ouvertures (13). Elles convertissent la composante de rotation du flux de fluide (49) en composante radiale et la composante radiale en composante longitudinal dirigée vers les sorties de la cheminée.
Un insert (37) sépare la partie supérieure de la cheminée de sa partie inférieure et les tubes intérieurs, (11.1) et (11.2), évacuent au travers de leur extrémité évasée, (35) et (36), les fluides provenant de la zone de transition du réacteur pour les purifier afin de pouvoir maintenir des compositions distinctes des fluides circulant dans la partie supérieure et la partie inférieure du réacteur.
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Le nombre, la position et la dimension des ouvertures (9), des ailettes (47) et des déflecteurs (48) peuvent varier d'une buse à l'autre pour obtenir le flux de fluide désiré dans les différentes tranches ou sections du réacteur.
La Figure 5 montre la projection d'une coupe verticale d'un autre modèle de dispositif d'évacuation des fluides, où une partie des buses évasées (33) a été remplacée par un ruban hélicoïdal (50) enroulé sur des ailerons longitudinaux, non montrés sur la figure, disposés autour du tube intérieur (11.1) et de son extrémité évasée (35), les spires du ruban étant évasées et séparées de leurs voisines par des déflecteurs ou des ailettes, non représentées, pour guider les fluides à l'intérieur du tube ainsi formé.
La possibilité de faire coïncider le bord extérieur du ruban (50) avec le creux de l'ondulation ou vague hélicoïdale, qui se développe le long du bord intérieur des spires hélicoïdales ascendantes entourant ce ruban, permet de réduire la largeur de l'espace libre central et donc d'augmenter l'espace disponible pour la réaction. Il est aussi possible de faire coïncider avec le creux de la vague hélicoïdale les ouvertures (9) des buses cylindriques (8) et (46) montrées sur les figures 1 et 4.
Le dispositif de la figure 5 permet aussi d'évacuer du réacteur les flux des fluides (51) et (52) par un ensemble de tubes radiaux, (53) et (54), assemblés comme les rayons d'une roue, dont on ne voit que les deux situés dans le plan de la coupe, et qui sortent du réacteur au travers de sa paroi latérale, non montrée sur la figure. Ceci permet d'allonger le réacteur sans élargir le dispositif d'évacuation des fluides, celui-ci étant divisé en plusieurs ensembles reliés entre eux par des inserts (37) et (37.1).
La figure 6 est une vue schématique d'une coupe d'une partie de la zone de transition d'un réacteur où les spires hélicoïdales ascendantes sont creuses et reliées entre elles pour former une galerie hélicoïdale ascendante, qui remplace la succession de spires hélicoïdales ascendantes et le dispositif d'alimentation des fluides le long de cette zone du réacteur. Les sections des spires de cette galerie, comprennent une partie principale, de (55. 1) à (55. 6), et une partie secondaire, (56), de forme tubulaire, alimentée par des tubes (57), concentriques aux tubes (6) et permettant de pulvériser de fines gouttelettes d'un fluide liquide à proximité de la surface du lit fluidifié.
La galerie est caractérisée par la hauteur moyenne variable (58) de ses sections, les hauteurs (59) des sections du canal hélicoïdal ascendant, le pas (60) de la galerie, sa largeur (61) qui peut aussi varier et les largeurs (62) et (63) de l'espace libre latéral et central.
La figure 6 montre aussi l'axe de symétrie cylindrique (1) et la section (2) de l'enveloppe du réacteur, les sections des buses coniques évasées (33) ou recourbées (34), l'extrémité conique évasée (35) ou recourbée (36) de la section du tube intérieur supérieur ou inférieur du dispositif d'évacuation des fluides ainsi qu'une vue schématique de l'écoulement des fluides et des particules le long de son plan.
Les petites flèches (64) symbolisent les déplacements des particules de polymère et les lignes fléchées (65) représentent les lignes de flux des fluides. Ces dernières descendent d'abord dans l'espace libre latéral, si l'injection des fluides près de la paroi latérale du réacteur, est légèrement orientée vers le bas, afin de faciliter la chute des particules de polymère dans cet espace. Ensuite, comme les vitesses de rotation sont d'un ordre de grandeur supérieur aux vitesses de déplacement dans le plan de la figure, ces lignes de flux des fluides (65) montent dans le canal hélicoïdal ascendant de la hauteur d'une ou plusieurs spires, car elles parcourent un ou plusieurs tours avant d'en sortir. Elles doivent ensuite redescendre dans l'espace libre central approximativement au niveau des buses qui correspondent à leur tube d'entrée dans la galerie.
Celui-ci peut être plus bas, afin de maintenir un flux descendant dans l'espace libre central pour favoriser la descente des particules de polymère dans cet espace.
Sous l'effet de la force centrifuge, les particules de polymère s'accumulent le long de la paroi latérale du réacteur pour former un lit fluidifié dont la surface est, à l'équilibre, proche d'une surface conique dont la section avec le plan de la figure 6 est la ligne (66) formant avec l'horizontale un angle (67) dont la tangente est environ le rapport entre la force centrifuge et la force de gravité. Le point de départ de cette ligne est déterminé au bas du réacteur par les détecteurs de particules qui ajuste le débit de sortie de ces particules pour la maintenir à une distance suffisante du dispositifd'évacuation des fluides.
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Sous l'effet de la rotation, les particules de polymère situées dans le canal hélicoïdal ascendant vont monter le long de la première spire hélicoïdale (55.1) pour retomber d'abord dans son espace libre latéral éventuel. Si le débit ascendant est suffisamment élevé, c'est-à-dire si la vitesse de rotation est suffisamment élevée, cet espace libre latéral, généralement très étroit ou nul, sera insuffisant pour faire redescendre la totalité des particules de polymère.
Celles-ci s'accumuleront en amont de la spire, ce qui rapprochera du centre du réacteur la surface du lit fluidifié en amont, jusqu'à ce qu'elle déborde dans l'espace libre central pour permettre aux particules de polymère d'y retomber, déterminant ainsi un nouveau niveau d'équilibre (66. 1) en amont de la spire et remplissant ainsi progressivement, de spire en spire, la totalité du canal hélicoïdal ascendant, jusqu'au sommet du réacteur.
Les particules qui tombent le long du bord central de la galerie suivent la direction (68) qui est perpendiculaire à la surface d'équilibre, formant ainsi avec l'horizontale un angle (69) dont la tangente est environ le rapport de la force de gravité avec la force centrifuge. La différence entre le niveau amont et le niveau aval, appelée la hauteur de chute (70), détermine une différence de pression entre l'amont et l'aval de la spire proportionnelle à la hauteur de chute et la résultante de la force centrifuge et de la force de gravité. C'est cette différence de pression qui détermine le débit descendant des particules dans l'espace libre latéral. Elle est environ égale à la pression hydrostatique du lit fluidifié sur la hauteur du canal hélicoïdal ascendant, mais il peut y avoir des différences d'une spire à l'autre si les dimensions des spires varient.
Ainsi la largeur (61.1) des sections (55. 4) et (55. 5) de la galerie et la largeur (62.1) de leur espace libre latéral ont été agrandies suffisamment pour que la totalité des particules de polymère puisse aisément descendre dans ces espaces libres latéraux agrandis, avec une différence réduite entre le niveau d'équilibre amont et aval (70. 3) et (70. 4). La surface du lit fluidifié (66. 4) et (66. 5) ne permet plus aux particules de retomber dans l'espace libre central. La partie non utilisée de la pression hydrostatique de ces deux spires du canal hélicoïdal ascendant se répercutera sur la spire supérieure, ce qui augmentera le débit descendant de son espace libre latéral.
Les particules ascendantes, qui sont situées près de la surface du lit fluidifié et qui pénètrent dans la zone au dessus des sections (55. 4) et (55. 5) de la galerie, sont forcées de rester dans la zone supérieure jusqu'à ce qu'elles se soient rapprochées de la paroi latérale du réacteur pour pouvoir tomber dans l'espace libre latéral de ces spires.
De même, l'espace libre latéral des sections (55.1) et (55. 2) de la galerie ayant été supprimé, les particules qui tombent dans l'espace libre latéral de la spire (55. 3) sont forcées de remonter. Elles ne peuvent venir dans la zone inférieure que lorsqu'elles se sont rapprochées de l'espace libre central de cette spire.
La figure 7 schématise de manière simplifiée ces particularités de la circulation des particules résultant de cette sorte de chicane. On y a représenté la section du lit fluidifié longeant la paroi latérale perforée (3) d'une partie de la paroi d'un réacteur (2), autour des sections (71) d'une succession de spires hélicoïdales ascendantes. Le dispositif d'évacuation des fluides, à gauche du lit fluide, n'est pas montré sur la figure.
Le pas des spires hélicoïdales supérieures et inférieures, non visible sur la figure, mais symbolisé par leur écartement (73) est trois fois plus grand que le pas des spires, de (71. 1) à (71. 3), de la zone de transition, symbolisé par leur écartement (73. 1). Elles sont à une distance constante (65) du cylindre perforé (3), sauf dans la zone de transition où les spires (71.1) et (71.2) en sont éloignée d'une distance (65.1) et (65. 2) respectivement deux fois plus grande ou plus petite. Les spires (71. 1) sont aussi décalée d'une distance (74) vers les buses centrales et les spires (71. 3) sont appuyées contre la paroi cylindrique perforée (3).
Le lit fluide a été divisé en plusieurs zones annulaires : les zones centrales et latérales, supérieures et inférieures, dont les sections sont respectivement délimitées par les cadres de (77.1) à (77. 4), tracés à l'aide d'étoiles.
Les lignes de flux des particules de polymère sont les ensembles de courbes fermées de (72.1) à (72. 4) respectivement dans la partie centrale et latérale, supérieure et inférieure du réacteur. Le sens de leur circulation est indiqué par des flèches. Les lignes des flux des fluides ne sont pas représentées.
Le pas des spires hélicoïdales de la zone de transition étant trois fois plus petit, la montée des particules
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de polymères y sera trois fois plus lente. C'est pourquoi leur flux n'y est symbolisé que par deux lignes de flux ascendant et descendant contre six dans les deux autres zones. En dehors des zones de forte turbulence, qui séparent la partie ascendante de la partie descendante des particules et qui sont symbolisées par les cercles fléchés (75), la circulation des particules est supposée non turbulente dans ce schéma..
Comme le décalage vers le centre des spires hélicoïdales (71. 1) empêche les particules provenant de la zone centrale supérieure (77.1) de descendre dans la zone de transition, seules les particules provenant de la zone latérale supérieure (77. 2) peuvent descendre dans la zone de transition et comme le décalage des spires hélicoïdales (71. 3) contre la paroi cylindrique perforée (5) les empêche de descendre dans la zone inférieure, elles doivent remonter dans la zone supérieure. Pour la même raison, les particules montant dans la zone latérale inférieure (77.4) doivent redescendre avant de pénétrer dans la zone de transition et les particules montant dans la zone centrale inférieure (77. 3) doivent redescendre avant de pénétrer dans la zone centrale supérieure (77. 1) sous peine de ne plus pouvoir redescendre.
Ainsi la zone de transition est partagée entre les particules provenant de la zone latérale supérieure (77. 2) et de la zone centrale inférieure (77.3).
On constate ainsi qu'en l'absence de turbulence les particules de polymère circulent à l'intérieur de leurs zones respectives. Cependant la turbulence inévitable, assure un transfert plus ou moins rapide d'une zone à l'autre, le long des surfaces annulaires séparant les différentes zones. En plaçant judicieusement des injecteurs de fluide (76) le long de la paroi cylindrique perforée (3) du réacteur ou des déflecteurs sur certaines spires hélicoïdales, on peut augmenter la turbulence localement, afin d'accélérer les transferts entre les différentes zones en fonction des objectifs de polymérisation.
On peut laisser un espace libre latéral réduit entre les sections des spires (71. 3) et la paroi cylindrique perforée (3), afin d'assurer un transfert direct minimum de particules de polymère de la zone latérale supérieure (77. 2) vers la zone latérale inférieure (77. 4), notamment pour assurer le transfert vers le bas des particules les plus lourdes. Il peut aussi y avoir une accumulation des particules les plus légères dans la zone centrale supérieure du réacteur. Pour l'éviter, on peut prévoir un tube de sortie des particules de polymère dans cette zone.
Pour que les particules de polymère puissent suivre ces schémas d'écoulement, il est important que leur vitesse de rotation et donc que l'énergie qu'elles reçoivent du fluide soit suffisante. Ainsi la différence entre le carré de la vitesse d'injection du fluide et de sa vitesse de sortie du lit fluidifié multipliée par la moitié de son débit doit être suffisante pour compenser les pertes d'énergie dues au frottement des particules et céder aux particules l'énergie potentielle qu'elles acquièrent en montant dans le canal hélicoïdal ascendant et qui ensuite se transforme en turbulence et est perdue lors de leur chute.
On peut écrire, pour une tranche du réacteur de hauteur H, la relation suivante, entre la vitesse d'injection du fluide dans le réacteur, Vmj, et la vitesse moyenne de rotation des particules de polymère, Vrp : Ffl # Vmj2 = (k2 # Ffl + Kfr # Dr # Slf # H) # Vrp2 + 2 # Kef # Dr # g # L # P # H # Vrp (1) où Ffl est le flux volumétrique du fluide dans la tranche donnée ; Dr est le rapport de la densité apparente des particules et du fluide dans le lit fluidifié ; Slf est la section moyenne du lit fluidifié; g est l'accélération de la pesanteur ; L et P sont la largeur et le pas des spires hélicoïdales ; k= Vs / Vrp généralement proche de 1, où Vs est la vitesse de sortie des fluides du lit fluidifié ;
Kef est un coefficient d'efficience ascensionnelle des spires hélicoïdales, proche de 1 si les spires sont larges et proches l'une de l'autre, et Kfr est un coefficient de friction égal au pourcentage de l'énergie de rotation perdue par les particules par unité de temps en raison du frottement.
Ce dernier dépend, entre autres, de la morphologie des particules, de la proximité des spires hélicoïdales et de leur aérodynamisme. Il peut être estimé dans des unités pilotes qui peuvent simuler la circulation des particules.
Sachant que la vitesse d'entrée du fluide est égale à son débit volumétrique divisé par la somme des sections des tubes d'injection dans la tranche considérée, la relation (1) permet d'évaluer la vitesse moyenne de rota-
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tion des particules en fonction du débit du fluide.
Plusieurs autres dimensions peuvent être estimées telles que la vitesse radiale du fluide à la distance R du centre, Vrad ; le flux ascendant des particules de polymère, Fasc ; le flux descendant dans l'espace libre latéral, Fell, et le flux descendant dans le canal hélicoïdal descendant, Fchd :
Vrad = Ffl/(2###R#H # (1-C)) où C est la concentration des particules dans le lit fluidifié ;
Fasc = Kef # L # P # L)p #Vrp où Dp est la densité apparente des particules de polymère dans le lit fluidifié ;
EMI8.1
Fehd =k'x Sehd X Dp X Vin} et Fcl/ - ZîL X RR X Lell X D p X 2 X g X Hcha où k' est un coefficient d'efficience proche de 1, Schd est la section du canal hélicoïdal descendant, RR est le rayon du réacteur, Lell est la largeur de l'espace libre latéral et Hcha est la hauteur du canal hélicoïdal ascendant.
Les flux latéraux descendants s'additionnent et ils doivent être inférieurs au flux ascendant pour que les spires hélicoïdales concernées soient entièrement recouvertes par les particules de polymère. Ces équations doivent être adaptées, si la hauteur du canal ascendant et les dimensions des spires hélicoïdales varient.
PREMIER EXEMPLE : COPOLYMERISATION D'ETHYLENE SANS DILUANT
La grande capacité de refroidissement de ce procédé de polymérisation permet de polymériser du poly- éthylène en phase gazeuse sans devoir diluer l'éthylène avec un fluide non réactif
La figure 8 schématise à sa gauche trois tronçons de la demi section du haut, du milieu et du bas d'un réacteur (2), avec son axe de symétrie cylindrique (1), comprenant deux zones principales, dont seules les extrémités sont représentées, la supérieure et l'inférieure, et une zone médiane, représentée en entier dans le tronçon du milieu.
La cheminée centrale comprend des buses cylindriques et coniques de section (8), munies d'ouvertures (9), deux tubes principaux d'évacuation des fluides, (8.1) et (8.2), deux tubes intérieurs d'évacuation des fluides de la zone médiane, (11.1) et (11.2), terminés par les cônes (35) et (36), un insert (37) qui sépare la zone médiane en deux sections et un tube d'alimentation (22) pour pulvériser le comonomère sur la surface du lit fluide par des injecteurs (23) dans la zone supérieure du réacteur.
Le dispositifprincipal d'alimentation comprend une galerie hélicoïdale descendante, dont on a représenté les sections (26), soudée à la paroi latérale du réacteur (2) et alimentée par des tubes (6) et les spires hélicoïdales ascendantes, de sections (71), sont régulièrement réparties contre la paroi intérieure de la galerie descendante, à l'exception des paires de spires, (71.1) et (71. 2), qui sont situées aux extrémités de la zone médiane, dont le pas est réduit et qui sont écartées de la galerie hélicoïdale descendante, dont la hauteur est réduite.
On reconnaît encore sur la figure 8, le dispositif (19) d'injection du catalyseur, prépolymérisé si nécessaire, le tube (20) de sortie des particules de polymère, les détecteurs (21) de niveau du lit fluidifié, la surface du lit fluidifié (66), les particules de polymère schématisées par des petites flèches (64) indiquant la direction de leur déplacement dans le plan de la figure, les lignes de flux du fluide (65) et des cercles (75) schématisant la turbulence.
Dans le schéma d'alimentation et de recyclage décrit sur la figure 8, l'alimentation d'éthylène pur (84) est à la hauteur du tube d'entrée (6. 2), celle du comonomère liquide (85), généralement du butène ou de l'hexène, se fait par le tube central d'alimentation (22) dans la zone supérieure et celle d'un réactif de contrôle de polymérisation, (86), généralement de l'hydrogène, se fait dans le circuit de recyclage du fluide de la zone inférieure.
Le flux de fluide (87), qui provient de la zone médiane inférieure et qui est évacué par le tube intérieur inférieur (11.2), a une teneur en comonomère réduite par l'apport d'éthylène pur (84). Il est débarrassé, dans le cyclone (88), d'éventuelles particules solides entraînées par le fluide, comprimé par le compresseur (89), refroidi en (90) et débarrassé, dans des absorbeurs (91), de la partie indésirable du réactif de contrôle de polymérisation provenant de la zone inférieure, avant d'être recyclé dans la zone médiane supérieure.
Le flux de fluide (92), provenant de la zone médiane supérieure, contient du comonomère provenant de la
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zone supérieure. Ce flux est évacué par le tube intérieur supérieur (11.1). Une partie est envoyée dans le circuit de recyclage de (88) à (91), une autre partie peut être envoyée vers la zone supérieure par la vanne de contrôle (97.1) et le reste, s'il est nécessaire de réduire significativement la teneur en comonomère de la zone médiane, est envoyé dans un séparateur (93) qui envoie un flux (94) de comonomère liquide saturé d'éthylène vers le circuit d'alimentation du comonomère et un flux (95) d'éthylène débarrassé de son comonomère vers la zone médiane inférieure.
Comme la quantité de comonomère à récupérer au bas de la colonne est généralement petite et peut donc être très diluée dans des quantités importantes d'éthylène, le séparateur (93) peut être une simple colonne de fractionnement avec un reflux faible et travaillant à une pression élevée, obtenue par le compresseur (96), précédé d'un cyclone non représenté.
Il faut remarquer le croisement des flux de la zone médiane qui permet de minimiser la quantité des flux qu'il faut purifier et le by-pass équipé de vanne de contrôle (97. 2) qui permet de différencier la teneur en hydrogène de la zone supérieure et de la zone médiane.
Le flux de fluide (98) provenant de la zone supérieure, est évacué par le tube principal (8.1). Il est débarrassé d'éventuelles particules solides dans le cyclone (99), refroidi en (100) et séparé de son éventuel condensât, du comonomère saturé d'éthylène, dans le séparateur (101). La fraction légère gazeuse (102) est comprimée par le compresseur (103) et recyclée dans la zone supérieure. Le condensât (104) est recyclé dans le circuit d'alimentation du comonomère.
Le flux de fluide (105), provenant de la zone inférieure, est évacué par le tube principal (8.2), refroidi en (106) et débarrassé d'éventuelles particules de polymère en (107) avant d'être recyclé par le compresseur (108) dans la zone inférieure. Les particules de polymère évacuées par la sortie (20) sont débarrassées d'une partie de leur éthylène dans le cyclone (109) avant d'être transférées en (110) vers des moyens classiques de récupération.
L'éthylène détendu est recyclé par le compresseur (111) dans le circuit inférieur.
Des dispositifs de contrôles de débit (112) sont judicieusement placés sur les tubes principaux d'alimentation afin d'assurer une différence d'alimentation adéquate entre les différentes tranches du réacteur, par exemple pour favoriser un flux de fluide descendant dans l'espace libre central pour réduire le risque d'entraînement de particules dans la cheminée centrale.
Afin de mieux les visualiser, la figure 9 montre, projeté sur la paroi latérale de la partie médiane du réacteur, le développement sur 360 des spires hélicoïdales ascendantes (71) et de la paroi intérieure de la galerie hélicoïdale descendante (24), avec ses tubes d'injection (7). Les flux des fluides se déplacent dans le sens des flèches, de droite à gauche et pour la clarté du dessin, l'échelle verticale est le double de l'échelle horizontale. Ainsi les tubes d'alimentation (6) apparaissent sous la forme d'ellipses. Afin de les décaler de 90 , ils sont disposés tous les 7/4 de tours de la galerie, là où sa hauteur (27) est maximum. Elle est minimum, (28), à mi-distance entre les tubes (6).
Le canal hélicoïdal descendant, situé entre les spires (24), a une hauteur (30) constante sauf dans les zones de séparation, où les hauteurs (30. 1) et (30. 2) sont réduites et les sections des spires ou fractions de spires hélicoïdales ascendantes (71) parcourent 5/8 de tours et partent, par paire, de chaque tube (6), afin de pouvoir les alimenter par un fluide de refroidissement au travers de ces tubes, si nécessaire.
La figure 10 schématise les flux de particules (72) dans les trois zones de réaction. Pour la clarté du des- sin, l'échelle horizontale a été élargie et la galerie et le canal hélicoïdal descendant ont été décomposés en une paroi perforée (3) et un espace libre latéral.
En l'absence de turbulence, les particules situées dans les zones annulaires centrales, délimitées par les cadres tracés à l'aide d'étoiles, (77. 1, (77. 3) et (78), circulent en circuits fermés, (72. 1), (72. 3) et (79.1), et une partie des particules situées dans les zones latérales circulent également en circuits fermés, (72. 2), (72. 4) et (79. 2), si le débit ascendant généré par les spires hélicoïdales (71.1) et (71. 2) est inférieur au débit descendant du canal descen- dant des zones adjacentes. Les autres particules situées dans les zones latérales traversent le réacteur de haut en bas et de bas en haut, en suivant les circuits (80). Dans la pratique la turbulence assure un mélange des particules à
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l'intérieur des différentes wnes annulaires du réacteur.
Toutefois les particules qui descendent le long de la surface du lit fluidifié de la wne supérieur et qui ont été imprégnées par le comonomère injecté par les injecteurs (23), doivent passer par la zone latérale supérieure, où leur teneur en comonomère sera progressivement réduite, avant de pénétrer dans la wne médiane où leur teneur en comonomère sera davantage réduite.
A titre illustratif, on peut estimer les ordres de grandeur des différentes valeurs, pour un réacteur industriel d'un volume d'environ 70 mètres cubes, 15 mètres de haut et 2,5 mètres de diamètre. Ces valeurs dépendant d'un grand nombre de paramètres peuvent varier significativement en fonction de la conception du réacteur et de la morphologie des particules, dépendant du système catalytique utilisé. Elles devront être adaptées avec l'aide d'unités pilotes conçues pour tester la circulation des particules de polymère en fonction des différents paramètres.
Chaque zone principale comprend 11 tubes d'entrée (6) de 0,25m de diamètre alimentant chacun une tranche de 0,56 m de haut du réacteur par une galerie hélicoïdale descendante d'un pas moyen de 0,32 m, effectuant 7/4 de tours entre chaque tube, d'une largeur de 0,1 m, d'une hauteur maximum de 0,32 m devant chaque tube et minimum de 0,04 m à mi distance entre les tubes, laissant une hauteur libre de 0,16 m pour le canal hélicoïdal descendant. La wne médiane comprend 3 tranches identiques, situées entre deux tranches de 0,28 m de haut alimentées par les deux tubes d'entrée (6. 1) et (6. 2) de 0,16 m de diamètre, au travers d'une galerie hélicoïdale descendante ayant un pas moyen réduit de moitié, une hauteur maximum de 0,16 m et minimum de 0,02 m, laissant une hauteur libre de 0,08 m pour le canal hélicoïdal descendant.
Pour un diamètre extérieur de la cheminée centrale de 0,6 m dans la zone médiane et de 1 m aux extrémités du réacteur et pour un diamètre intérieur des spires hélicoïdales (71) variant progressivement de 1,1 à 1,5 m, la largeur de l'espace libre central est de 0,25 m et le volume du lit fluidifié est d'environ 45 mètres cubes.
L'écartement moyen des spires hélicoïdales ascendantes est d'environ 0,45 m et leur largeur et leur pas varie respectivement de 0,6 et 0,15 m dans la wne médiane à 0,4 et 0,24 m aux extrémités du réacteur.
Si la vitesse moyenne de rotation des particules de polymère varie de 7 à 8 m/sec, compte tenu d'une moindre résistance lorsque la largeur des spires diminue et si leur densité apparente dans le lit fluidifié est de 350 kg par mètre cube, le flux ascendant des particules de polymère est d'environ 600 t/h. La force centrifuge moyenne est de 5 à 6 fois la pesanteur, ce qui, pour un écartement moyen des spires hélicoïdales ascendantes de 0,45 m, donne une hauteur de chute inférieure à 0,1m, assez petite par rapport à la largeur des spires de 0,4 à 0,6 m.
Pour une pression des fluides de 25 atmosphères et un débit par entrée principale (6), d'un mètre cube par seconde, la vitesse d'injection du fluide doit être d'environ 16 m/sec, si le coefficient de friction, c'est à dire la perte d'énergie des particules de polymère due à la friction est de 5 %/sec. Elle doit être d'environ 18 m/sec si la perte d'énergie due à la friction est deux fois plus grande.
Le débit total du fluide est de 26 mètres cubes par seconde, soit environ 3.000 t/h, donnant une grande capacité de refroidissement et nécessitant environ 80 tubes d'injection (7) de 0,03 m de diamètre par tranche de 0,56 m du réacteur. Le temps de résidence moyen du fluide dans le lit fluidifié est de moins de 2 secondes et celui des particules de polymère est d'environ 15 minutes, si la capacité de production de polyéthylène est d'environ 60 t/h,
La vitesse radiale du fluide près de la surface du lit fluidifié est d'environ 0,5 m/sec, ce qui est suffisamment bas pour permettre une bonne séparation entre le lit fluidifié et le fluide, compte tenu de la force centrifuge.
La vitesse moyenne des particules dans le canal hélicoïdal descendant peut dépasser 10 m/sec, donnant un flux latéral descendant de particules de polymère d'environ 200 t/h, suffisamment bas pour permettre le remplissage du canal hélicoïdal ascendant et suffisamment élevé pour permettre l'évacuation d'agglomérats et d'éventuelles peaux de polyéthylène, dont le risque de formation est réduit par la vitesse de circulation des particules le long des parois.
Le nombre de passages effectuées par les particules de polymère dans chaque zone du réacteur dépend de la turbulence et du pas des spires hélicoïdales ascendantes (71. 1) et (71.2). II peut être augmenté ou diminué en augmentant ou en diminuant le pas de ces spires, suivant que l'on donne la priorité à l'homogénéité des particules
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de polymère ou à la différentiation des zones du réacteur.
Si la pression des fluides doit être augmentée, par exemple à 45 atmosphères, pour augmenter la vitesse de réaction, afin d'atteindre la capacité de production souhaitée de 60 t/h et si la section des injecteurs n'est pas modifiée, le débit volumétrique du fluide et la vitesse d'injection doivent être réduits de 15% environ, pour garder la même vitesse de rotation des particules de polymère. Le débit total du fluide dépassant les 4000 t/h, il peut être réduit si nécessaire, en réduisant le diamètre ou le nombre de tubes d'injection, afin d'augmenter la vitesse d'injection avec un débit plus faible.
Ce procédé peut fonctionner avec une pression des fluides au-dessus de la pression critique de l'éthylène, pour obtenir des capacités de production de polyéthylène élevées dans des réacteurs plus petits. Le volume du lit fluidifié étant plus petit, le temps de résidence des particules de polymère y sera plus court. Par exemple pour une pression de 80 atmosphères et un réacteur de 1,8 m de diamètre et 10 m de haut, le volume du lit fluidifié n'est que de 15 mètres cubes environ. Le volume de fluide injecté dans le réacteur peut être d'environ 8 à 10 mètres cubes par seconde, si la capacité de production souhaitée est de 60 t/h de polyéthylène, et le temps moyen de résidence des particules dans le réacteur n'est que de 5 minutes environ, réduisant le nombre de passages des particules dans chaque zone du réacteur et donc leur homogénéité.
La figure 11montre un agrandissement d'une zone médiane du réacteur réduite aux deux seules tranches alimentées par les tubes d'entrée (8.1) et (8. 2) pour montrer l'équilibre des flux et comment les particules de polymère venant de la zone supérieure sont débarrassées du comonomère avant de pénétrer dans la zone inférieure.
Il faut tout d'abord remarquer que le tube inférieur de pulvérisation de comonomère liquide (23) est suffisamment éloigné de la zone médiane pour éviter d'y envoyer des particules imprégnées de comonomère, celles-ci devant d'abord remonter dans la zone latérale supérieure avant de pouvoir pénétrer dans la zone de transition.
Le flux des particules descendant dans l'espace latéral libre et le canal hélicoïdal descendant de la paire de spires hélicoïdales (71.1) est égal au flux qui remonte dans la zone supérieur de leur canal ascendant, dépendant du pas de ces spires, soit par exemple 250 t/h. Seulement une fraction de la partie passant dans le canal hélicoïdal descendant de 0,08m de haut de la paire de spires (71. 2), par exemple 60% de 100 t/h, et une fraction, entraînée par la turbulence, passant par son espace libre central, par exemple 40% de 150 t/h, peut arriver dans la zone inférieure du réacteur, soit environ 120 t/h, entraînant avec elles, pour une pression de 25 atmosphères, 6 à 7 t/h de fluide qui sont purgées par les deux fois 55 t/h de fluide alimenté par les entrées (6.1) et (6.2).
Si la capacité de production de polyéthylène est de 60 t/h, la quantité d'éthylène pur introduite en (84) dépasse les 55 t/h introduite dans le tube (6.2). La différence va dans le tube (6.1), ainsi que la quantité d'éthylène purifié (95), par exemple 20 t/h. Le flux de fluide (87), contenant peu de comonomère et la fraction non purifiée du flux de fluide (92) sont introduits en (89) pour compléter l'alimentation du tube (6. 1), la différence rejoint la zone supérieure au travers d'une vanne de contrôle de débit (112.1).
Pour éviter de diluer le flux de fluide (87) par le flux (92), contenant davantage de comonomère, cette différence peut être introduite directement dans le circuit de recyclage de la zone supérieure dès sa sortie du réacteur par le by-pass (97. 1) de la figure 8. Si la quantité de fluide purifié (95) est nulle et si la quantité de flux (87) et d'éthylène pur (84) est suffisante pour alimenter la zone médiane, ici représentée par les seules entrées (6. 1) et (6.2), la totalité du flux (92) peut aller dans le circuit principal supérieur.
Si le temps de résidence des particules descendantes dans la zone de transition est insuffisant pour les débarrasser suffisamment de leur comonomère, celle-ci peut être élargie comme le montre la figure 8.
Comme la zone principale inférieure n'est pas alimentée par de l'éthylène pur, il y a dans cette zone un déficit de fluide, qui ne peut être comblé que par un flux de fluide (115) qui descend dans la zone libre centrale, d'environ 30 t/h, engendrant un flux de fluide (Il 5) descendant dans la zone libre centrale à une vitesse de l'ordre de 0,5 m/sec, favorisant la chute des particules dans cet espace libre central. Ce flux de fluide descendant peut être maintenu jusqu'au bas du réacteur à l'aide de contrôleurs de débit (112), comme montré sur la figure 8. Il peut être
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obtenu dans la partie supérieure du réacteur de la même manière.
Sur la figure 11, les bords centraux des spires hélicoïdales (71) des deux zones principales ont été relevés afin de permettre au flux de particules de polymère tombant dans l'espace libre central de longer la surface inférieure de ces bords et ainsi d'y éviter une zone vide de particules, favorable à la formation de peau de polyéthylène. Il faut aussi remarquer que la galerie hélicoïdale descendante a été obturée en (26. 1) et (26. 2), à mi-distance entre les tubes d'alimentation (6. 1) ou (6. 2) et les tubes (6) des zones adjacentes, afin de pouvoir travailler à une pression différente dans la galerie de la zone de transition, ce qui permet d'y augmenter ou diminuer le débit des fluides sans varier le débit dans les zones adjacentes.
En cas de disfonctionnement majeur, par exemple l'arrêt d'un compresseur, on peut injecter un gaz non réactif, comme l'azote, en aval du compresseur défaillant et relier la sortie du cyclone (109) à la torche de sécurité afin de dépressuriser le réacteur tout en le purgeant avec un gaz non réactif. La réaction peut être arrêtée en quelques secondes en injectant un poison pour le catalyseur dans chaque circuit de recyclage. Enfin s'il est nécessaire de pouvoir vider complètement et très rapidement le réacteur, il est utile de prévoir plus de sorties de particules (20), dont au moins une dans la zone de transition et une autre proche du sommet du réacteur.
DEUXIEME EXEMPLE : COPOLYMERISATION D'ETHYLENE AVEC DILUANT
Si la vitesse de réaction est trop élevée, on peut la ralentir en diluant l'éthylène avec un fluide non réactif.
La figure 12 montre un réacteur identique à celui de la figure 8 auquel on a ajouté, dans la partie principale inférieure de la cheminée centrale, un tube central (22. 1) d'alimentation de diluant liquide (118) plus léger que le comonomère, par exemple du propane ou de l'isobutane, relié à des tubes d'injection (23.1) qui permettent d'en pulvériser de fines gouttelettes sur le lit fluidifié.
Le flux de fluide (105) sortant du tube principal inférieur (8. 2) contient du diluant. C'est pourquoi un séparateur (119) permet, avant de le recycler, de le séparer d'un condensât (120) qui, en plus du diluant et de l'éthylène, a absorbé de faibles quantités de comonomère présentes dans la zone principale inférieure du réacteur.
Une partie de ce condensât (120) est recyclée avec le diluant frais (118) par le tube central d'alimentation (28.1) et l'autre partie, pour être débarrassée du comonomère, est envoyée vers la colonne de séparation (93). Cette colonne peut aussi être alimentée par une partie du condensât (104) contenant du comonomère saturé de diluant et d'éthylène, afin de réduire la quantité de diluant présent dans la zone supérieure. La fraction gazeuse (95) récupérée au sommet de la colonne (93) est de l'éthylène saturé de diluant et elle est envoyée dans la zone médiane inférieure.
La fraction liquide (121) est recyclée avec le diluant frais (118) par le tube d'alimentation inférieur (22.1). La fraction liquide (94) récupérée au bas de la colonne (93) est du comonomère mélangée à des quantités de diluant et d'éthylène qui dépendent des conditions de travail de cette colonne. Cette fraction (100) est recyclée dans la zone supérieure avec le comonomère frais (85) par le tube central d'alimentation (22).
La purification de la zone principale inférieure se fait par absorption du comonomère par le diluant dans l'entièreté de la zone, ce qui permet d'atteindre un niveau de pureté relativement élevé.
Les données concernant les fluides dépendent de la pression, du type de diluant et de la quantité de liquide recyclé qui, en refroidissant le lit fluide, permet de réduire substantiellement la quantité de fluide qu'il faut recycler, ce qui nécessite d'augmenter leur vitesse d'injection, pour obtenir une vitesse de rotation des particules de polyéthylène suffisamment élevée. Le réacteur peut être allongé ou le diamètre de la cheminée centrale peut être réduit. L'inconvénient principal est le coût supplémentaire entraîné par l'introduction d'un diluant.
Si la concentration du diluant augmente, l'éthylène peut être complètement dissout à la température d'injection du fluide recyclé, et ainsi le fluide recyclé alimentant le réacteur peut être liquide. La vitesse d'injection du fluide dans le réacteur doit être adaptée à l'augmentation de sa densité et à la réduction significative de son débit
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volumétrique. La force centrifuge doit être suffisante, pour séparer le fluide liquide des particules de polymère à sa sortie du lit fluidifié, malgré sa densité plus élevée, si le réacteur est totalement en phase liquide.
Toutefois, la pression dans le réacteur peut être telle que le liquide y soit à température d'ébullition, ce qui permet de remplir l'espace libre central par le fluide gazeux provenant de son ébullition. Dans ce cas, il est toujours possible d'avoir des températures différentes dans les différentes zones en variant les concentrations du diluant dans les différentes zones. Mais il faut remarquer qu'en période de démarrage, l'évaporation du fluide est insuffisante pour assurer le débit nécessaire à la rotation adéquate du lit fluidifié. Il est donc nécessaire de démarrer en phase complètement liquide ou en injectant du gaz et, pour faciliter l'élimination du comonomère, il peut être souhaitable d'utiliser un diluant plus lourd que le comonomère pour que ce dernier distille préférentiellement.
TROISIEME EXEMPLE : COPOLYMERISATION DU PROPYLENE Pour fabriquer des copolymères blocs du propylène et de l'éthylène, les caractéristiques du réacteur doivent tenir compte de la nécessité d'une bonne séparation entre les zones principales et de la nécessité de polymériser une proportion suffisante de propylène, malgré sa moins grande vitesse de réaction, ce qui justifie d'utiliser un réacteur très long, comprenant éventuellement une dispositif d'évacuation des fluides au milieu du réacteur par des tubes radiaux. Vu sa longueur, il peut être souhaitable d'utiliser un réacteur horizontal.
Le haut de la figure 13 schématise la section inférieure d'un tel réacteur horizontal comprenant une première succession de spires hélicoïdales (71), déplaçant les particules de la gauche vers la droite, et une galerie hélicoïdale (26), dont un côté est prolongé par une deuxième succession de spires hélicoïdales (122), déplaçant les particules de la droite vers la gauche. Ces successions de spires délimitent respectivement un canal central ou intérieur et un canal latéral ou extérieur dont les sections sont conçues afin d'égaliser approximativement les débits des particules de polymère respectivement vers la droite et vers la gauche, tout en maintenant un léger différentiel qui permet d'augmenter l'épaisseur du lit fluidifié, dont on voit la section de sa surface (72), là où la cheminée centrale est la plus étroite.
La zone de transition à gauche de l'insert (37) est reliée à deux tubes concentriques de sortie, (11.1) et (11.2), terminés par les cônes évasés (35) et (36). L'éthylène pur (84), alimenté par l'entrée (6. 1) est évacué par le cône évasé (36) prolongé par le tube (11.2). Il est légèrement contaminé par le propylène encore contenu dans les particules de polymère venant de la droite. Ce fluide (87) est séparé d'éventuelles particules de polymère dans le cyclone (88), comprimé en (89) et refroidi en (90) pour être recyclé par l'entrée (6. 2) afin de purger les particules de polymère venant de la droite du propylène qu'elles entraînent.
Le flux de fluide (92), évacué par le cône évasé (35) prolongé par le tube (11.1) et contenant des quantités substantielles de propylène, est débarrassé d'éventuelles particules solides en (92.1), refroidi et envoyé dans une colonne de séparation (93). L'éthylène (95) sortant en tête de colonne est comprimé en (96) et recyclé par le compresseur (108) dans la zone principale de gauche.
Cette zone, qui sert à polymériser l'éthylène alimenté en (84), ne comprend que trois tubes d'entrées (6), compte tenu de la plus grande vitesse de réaction de l'éthylène et de la teneur en polyéthylène du copolymère bloc qui est généralement faible. Le fluide (105) provenant de cette zone, est évacué par le tube principal 8. 2, refroidi en (106), séparé d'éventuelles particules de polymère en (107) et recyclé par le compresseur (108) au travers des trois tubes d'entrée (6).
Le bas de la colonne de séparation (96) contient du propylène liquide (94), débarrassé de son éthylène. Il est transféré avec le propylène frais (85) dans le réacteur par les tubes (22) et (22. 1), pour y être pulvérisé par les injecteurs (23). Le propylène gazeux injecté par le tube d'entrée (6. 4) est contaminé par les faibles quantités d'éthylène entraîné par les particules de polymère venant de la gauche. Il est évacué par le tube central intérieur (11.3) qui est relié à un tube radial (53) permettant d'évacuer le fluide (126) latéralement au milieu du réacteur.
Ce flux de fluide (126), légèrement contaminé par de l'éthylène, est débarrassé d'éventuelles particules solides en
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(127), comprimé en (128) et refroidi en (129) pour être recyclé par le tube d'entrée (6. 3) à gauche du tube d'entrée (6. 4), afin de purger les particules de polymère venant de la gauche de l'éthylène entraîné. Ce propylène chargé d'éthylène est évacué par le tube (11.1) en même temps que l'éthylène chargé de propylène pour être séparé dans la colonne de séparation (93).
La zone de réaction principale de droite sert à polymériser le propylène alimenté en (85). Cette zone très longue comprend pour l'évacuation du propylène gazeux, en plus de la sortie par le tube central principal (8. 1) à droite du réacteur, des sorties latérales, composées d'un ensemble de tubes radiaux (54), situés dans le même plan que le tube radial (53), et dont on ne voit qu'un seul. Un autre tube radial, situé dans ce même plan et non représenté sur la figure doit alimenter en propylène liquide le tube (22.1). Le propylène gazeux (98) et (98. 1) respectivement évacué par le tube principal (8. 1) et les tubes radiaux (54) est débarrassé d'éventuelles particules solides en (99), refroidi en (100), débarrassé de son condensât en (101) et recyclé par le compresseur (103) au travers de tubes d'entrées (6).
Afin de ne pas interrompre les flux du lit fluidifié vers la droite et vers la gauche, l'espace entre les tubes radiaux (53) et (54) comprend des ailettes qui guident dans les directions appropriées les flux de particules.
Ainsi la zone de transition, qui est située entre les deux zones principales, comprend 4 tubes d'entrée de (6.1) à (6. 4). Elle est divisée en trois sections de transition, dont la section médiane, reliée au tube de sortie (11.1) du cône (35), est alimentée au travers des entrées (6. 2) et (6. 3), par les compresseurs (89) et (128) qui compriment les flux (87) et (126), ne contenant respectivement qu'une faible teneur de propylène ou d'éthylène et provenant des deux autres sections de transition, reliées aux tubes de sortie (11. 2) du cône (36) et (11. 3) se terminant par un tube radial (53). Seul le flux (92) de la section médiane, un mélange d'éthylène et de propylène, est purifié et séparé dans une colonne de séparation (93) avant d'être recyclé.
Ce dispositif de zone de transition à 3 sections avec un recyclage croisé entre la section médiane et les deux autres sections permet d'améliorer la séparation entre les deux zones principales tout en limitant la quantité de fluide qu'il faut séparer dans la colonne de séparation (93). Comme, en général, le degré de pureté du propylène doit être plus élevé que le degré de pureté de l'éthylène, les 2/3 de la zone de transition sont alimentés en propylène et un tiers en éthylène dans cet exemple.
Le réacteur étant horizontal, la cheminé centrale peut être une buse pourvue de plusieurs rangées d'ouvertures latérales (9) situées sur ses côtés et sa partie inférieure et équipées d'ailettes guidant les flux (133) de fluides vers les tubes de sortie. Il faut aussi noter qu'avec un diamètre du réacteur d'environ 2 m et une vitesse de rotation moyenne des particules de 10 m/sec, l'épaisseur du lit fluidifié au bas du réacteur n'est environ que des 2/3 de l'épaisseur en haut du réacteur à cause de la différence d'énergie potentielle et donc de vitesse des particules, ce qui n'est pas négligeable. Il est donc souhaitable de décentrer la cheminée centrale et éventuellement d'altérer la symétrie cylindrique des deux ensembles de spires hélicoïdales pour mieux suivre la forme du lit fluidifié.
Par ailleurs, comme le déplacement latéral des particules de polymère ne doit pas luter contre la force de gravité, l'écartement entre les spires hélicoïdales (71) et (122) peut être augmenté, afin de réduire la résistance au frottement. Ceci permet d'éviter une vitesse d'injection des fluides trop élevée.
La vitesse et la chaleur de réaction du propylène étant plus faibles et le refroidissement du lit fluidifié étant en partie assuré par l'évaporation du propylène liquide pulvérisé par les tubes centraux (22) et (22. 1), le débit du propylène gazeux est faible, ce qui permet d'allonger la zone principale de droite du réacteur, afin de polymériser davantage de propylène. S'il est nécessaire d'augmenter davantage le volume de cette zone, le réacteur peut y être légèrement élargi, tout en gardant la surface (72) du lit fluidifié à peu près au même niveau.
Les autres caractéristiques de fonctionnement sont semblables aux exemples précédents et peuvent être estimées de manière semblable. Ces différents exemples montrent la souplesse de ce procédé de polymérisation, qui peut s'appliquer à la plupart des polymérisations catalytiques en lit fluidifié, gazeux ou liquide.