Brevet FR2010826A1 — publié le 19700220

La présente invention concerne des procédés et dispositifs de contrôle et plus particulièrement, un procédé et un dispositif permettant de contrôler le fonctionnement d'une installation de cracking catalytique en phase liquide. 5 Dans les raffineries pétrochimiques modernes, le cracking catalytique en phase liquide des fractions du pétrole brut est une opération complexe mais très importante. Le cracking catalytique en phase liquide est un processus continu destiné à convertir des composants à point d'ébullition élevé et a poids 10 moléculaire important du pétrole brut distillé en produits possédant un point d'ébullition plus bas et un poids moléculaire plus faible, par exemple ceux qui constituent l'essence de pétrole. Le catalyseur utilisé pour amorcer la réaction se présente sous la forme d'une poudre dont les particules sont très fines et dont 15 la fluidité est comparable à celle d'un iiquide. Pratiquement, dans un processus de cracking catalytique en phase liquide, le pétrole brut provenant des réservoirs de stockage est amené dans une chambre de réaction par deux conduites d'alimentation ou colonnes montantes. Le pétrole recy-kQ cil, provenant d'un dispositif de fractionnement situé en aval, le catalyseur chaud sous forme fluide provenant du régénérateur de catalyseur et de la vapeur sont aussi introduits dans chacune des colonnes montantes. Le pétrole brut est vaporisé par le catalyseur, ce qui provoque le réaction endothermique de cracking. 25 Les vapeurs produites sont dirigées vers un dispositif de fraction nement et le catalyseur, sur lequel s'est déposé du coke lors de la réaction, traverse continuellement le régénérateur de catalyseur» Dans le régénérateur le coke est brûlé par un jet d'air qui traverse le catalyseur. Cette réaction est exothermique et le 30 catalyseur chaud régénéré est renvoyé vers la chambre de réaction, par l'intermédiaire des colonnes montantes, afin de fournir la chaleur nécessaire pour la réaction de cracking. La réaction de cracking des produits ne s'effectue pas exclusivement dans la chambre de réaction et une grande partie 35 a lieu dans les colonnes montantes. Dans quelques installations de cracking, une partie comprise entre la moitié et les deux tiers de la conversion totale s'effectue dans les colonnes montantes. Dans ces conditions, l'installation peut être considérée comme étant constituée par deux chambres de réaction en parallèle se 40 déchargeant dans une troisième chambre de réaction. 69 19505 2010826 Dans les installations de cracking catalytique en phase liquide connues jusqu'ici, les colonnes montantes sont commandées de façon identique, c'est-à-dire que les débits massiques de pétrole brut, de pétrole recyclé, de catalyseur et de 5 vapeur, ainsi que les températures sont maintenus sensiblement identiques dans chaque colonne montante. Cependant, afin d'optimiser le fonctionnement du dispositif de réaction en respectant les contraintes imposées par le dispositif et pour des considérations d'économie et de productivité, il est souhaitable de con-10 trôler indépendamment le fonctionnement de Chaque colonne montante. La présente invention se propose de fournir un dispositif et un procédé perfectionnés pour contrôler une installation de cracking catalytique en phase liquide. 15 La présente invention se propose aussi de fournir un procédé et un dispositif perfectionnés pour optimiser le fonctionnement d'un troisième dispositif de réaction pour le cracking catalytique. La présente invention se propose encore de fournir 20 un dispositif et un procédé permettant de contrôler indépendamment le fonctionnement de chaque colonne montante dans une installation de cracking catalytique en phase liquide. L'installation pour la mise en oeuvre du procédé de contrôle de cracking catalytique en phase liquide suivant la 25 présente invention comporte plusieurs conduites d'alimentation ou colonnes montantes, et le contrôle des conditions de fonctionnement de chaque colonne montante est réalisé indépendamment des conditions existant dans l'autre colonne montante. Des vannes contrôlent le débit du pétrole brut nouvellement introduit, du 30 pétrole recyclé, de la vapeur et du catalyseur pour chaque colonne montante. Les vannes associées à chaque colonne montante sont reliées à des dispositifs de contrôle qui contrôlent leur position et par conséquent le débit en masse du pétrole nouvellement introduit et recyclé, de la vapeur et du catalyseur dans la 35 colonne montante. Le contrôle indépendant de chaque colonne montante augmente la souplesse de contrôle et permet un fonctionnement optimal de l'installation de cracking catalytique en phase liquide. Les signaux de réglage reçus par les dispositifs de contrôle peuvent être fournis par un opérateur humain mais sont 40 de préférence fournis par un ordinateur qui réalise des calculs >9 19505 3 2010826 cinétiques, thermodynamiques, de rendement, de contrainte, en fonction des caractéristiques, économiques et autres, des modèles et équations de l'installation comme il est bien connu dans la technique, pour optimiser la rentabilité. 5 La présente invention sera mieux comprise par la description suivante d'une forme de réalisation particulière donnée à titre d'exemple et représentée au dessin annexé dans lequel : La figure 1 est un schéma représentant une ins-10 tallation de cracking catalytique en phase liquide suivant la présente invention. La figure 2 est un schéma de blocs représentant la façon dont sont produits les signaux de réglage de valeur nominale ou de consigne utilisé dans l'installation de cracking de la 15 figure 1. La figure 3 est un schéma de blocs représentant l'ensemble du dispositif de contrôle par ordinateur de l'installation de cracking de la figure 1. Les figures 4 et 4a sont des organigrammes illus-20 trant le fonctionnement du dispositif de contrôle de la figure 3. La figure 1 représente schématiquement l'installation de cracking catalytique en phase liquide et les dispositifs qui lui sont associés. Dans la figure 1 les trajets d'écoulement sont représentés en traits pleins tandis que les connections de 25 contrôle sont représentées en pointillé. La chambre de réaction 10 est alimentée par les conduites d'alimentation ou colonnes montantes 11 et 12. Les colonnes montantes 11 et 12 amènent le pétrole nouvellement introduit, le pétrole recyclé, la vapeur et le catalyseur jusqu'à la chambre de réaction 10. Les produits 30 de réaction vaporisés dans la chambre de réaction sont envoyés vers la colonne de fractionnement 14 par l'intermédiaire de la conduite 13. La colonne de fractionnement 14 sépare l'essence de pétrole qui est -envoyée vers le réservoir 16 en passant par le condenseur 15. Les vapeurs non condensées sont évacuées du-réser-35 voir 16, et comprimées par le compresseur 17 pour être soumises à un nouveau fractionnement afin de séparer les gaz lourds 'et légers. Le pétrole brut, qui n'a pas été affecté ou seulement peu affecté par le cracking est évacué de la colonne de fractionnement 14, par l'intermédiaire de la conduite 20, et constitué'le4 pétrole 40 recyclé qui est réintroduit dans les colonnes montantes 11 et 12 19505 2010826 pour être de nouveau soumis au cracking. Les résidus du fractionnement sont évacués de la colonne de fractionnement par 1'intermédiaire de la conduite 21. La réaction de cracking catalytique fait apparaî-5 tre un dépôt de coke sur la surface des particules du catalyseur dans la chambre de réaction 10. Les particules du catalyseur sont continuellement renvoyées vers le régénérateur de catalyseur 22 par l'intermédiaire de la conduite 23» De l'air est aussi introduit dans la conduite 23, à l'aide du ventilateur 24, l'oxygène 10 de l'air se combinant avec le coke déposé sur la surface du catalyseur dans le régénérateur 22 suivant une réaction exothermique. Les gaz produits CO et COg sont évacués du régénérateur 22 et le catalyseur chaud régénéré est envoyé respectivement, par l'intermédiaire des conduites 25 et 26, vers les colonnes montantes 11 15 et 12 et fournit la chaleur nécessaire à la réaction de cracking. Le pétrole nouvellement introduit arrive par la conduite 28 qui est reliés à un réservoir de stockage convenable, ce pétrole traversant ensuite un réchauffeur 29 et étant dirigé vers les vannes 30 et 31 reliées respectivement avec les colonnes 20 mentantes 11 et 12. La vanne 30 contrôle le débit en masse du pétrole nouvellement introduit dans la colonne montante 11, la position de la vanne 30 étant contrôlée par le dispositif de contrôle 32. De même, le dispositif de contrôle 33 commande la position de la vanne 31 et par conséquent le débit massique du pétrole 25 nouvellement introduit dans la colonne montante 12. Le pétrole recyclé arrivant par la conduite 20 est introduit dans les colonnes montantes 11 et 12 par l'intermédiaire des vannes 34 et 35. Le débit massique du pétrole recyclé dans la colonne montante 11 est contrôlé par la vanne 34, la position de 30 la vanne 34 étant à son tour contrôlée par le dispositif de contrôle 36. De même, le dispositif de contrôle 37 contrôle la position de la vanne 35 et par conséquent le débit en masse du pétrole recyclé dans la colonne montante 12. La vapeur, provenant d'une source appropriée, arrive 35 par la conduits 39 et est introduite dans les colonnes montantes 11 et 12 en traversant respectivement les vannes 40 et 41. Le dispositif de contrôle 42 contrôle la position de la vanne 40 et de ce fait le débit massique de la vapeur dans la colonne montante 11. De même, le dispositif de contrôle 43 contrôle la position de 40 la vanne 41 et par conséquent le débit massique de la.vapeur dans BAD ORfGINAL 69 19505 2010826 la colonne montante 12. Le débit massique du catalyseur provenant du régénérateur de catalyseur, dans les colonnes montantes 11 et 12 est contrôlé par les dispositifs de contrôle .45 et 46 qui contrôlent 5 respectivement les positions des vannes 47 et 48, comme représenté dans la figure 1. Les dispositifs de Contrôle 45 et 46 sont respectivement reliés à des détecteurs de température situés respectivement dans les colonnes montantes 11 et 12, comme représenté schématiquement par les lignes 50 et 51 dans la figure iO 1» ces détecteurs .de température fournisjànt des signaux de réac^r tion aux'dispositifs de contrôle 45 et 46. Les dispositifs de contrôle 45 et 46 reçoivent des signaux de réglage de température TLA et TLB. Les dispositifs de contrôle 42, 32 et 36 reçoivent respectivement les signaux de 15 réglage de valeur nominale ou de consigne ST MA, FA, RA. De même, les dispositifs de contrôle 43, 33 et 37 reçoivent respectivement le* signaux de réglage de valeur nominale STMB, FB, RB. Les signaux de réglage de valeur nominale TLA, STMA, FA, RA, TLB, STltBt FB et RB sont fournis par un opérateur et arrivent directe-î'O ment sur les dispositifs de contrôle par l'intermédiaire d'un potentiomètre ou d'un autre dispositif approprié ou indirectement sou» forme d'une valeur emmagasinée dans la mémoire d'un calculateur digital. Suivant la présente invention, le contrôle des *5 variables d'entrée, c'esfc-à-dire du débit de pétrole nouvellement introduit, de pétrole recyclé, de vapeur et de-catalyseur dans l'installation représentée dans la figure 1, dans l'une des colonnes tentantes peut être effectué indépendamment du contrôle des variables d'entrée dans l'autre colonne montante- L'importance 30 de ce contrôle indépendant provient du fait que les conditions existant dans une colonne montante peuvent nécessiter des valeurs nominales de réglage différentes de celles de l'autre colonne montante pour obtenir une productivité optimale de l'installation. Par exemple, il peut être avantageux de renvoyer tout le pétrole r . recyclé vers une colonne montante et de n'introduire que du pétrole n'ayant pas subi de cracking dans l'autre colonne montante. Etant donné que le pétrole nouvellement introduit et le pétrole recyclé possèdent des Caractéristiques différentes, la production peut être améliorée en établissant des points de fonctionnement 40 différents dans les colonnes montantes. 69 19505 2010826 Dans une variante, on utilise un calculateur digital à programme enregistré pour contrôler l'installation de cracking catalytique en phase liquide. Comme représenté dans la figure 2, on peut utiliser un tel calculateur, représente par le 5 bloc de contrôle de fonctionnement 60, pour fournir leis signaux de réglage de valeur nominale aux dispositifs de contrôle associés à chacune des colonnes montantes 11 et 12. Les signaux d'entrées directs et d'asservissement reçus par le dispositif de contrôle de fonctionnement 60 sont fournis par un opérateur et sont 10 basés sur des données empiriques ; La figure 3 .représente un dispositif complet de contrôle de l'installation dans lequel l'optimisation du fonctionnement est réalisée au moyen d'un dispositif de contrôle par calculateur. Dans la figure 3, l'installation de cracking 15 catalytique en phase liquide 70, représentée par exemple dans la figure 1, reçoit des signaux de réglage de valeur nominale FA, RA, STMA et TLA provenant du dispositif de contrôle de fonctionnement 71 et destinés aux dispositifs de contrôle associés à la colonne montante 11. De même, l'installation 70 reçoit des si-20 gnaux de réglage FB, RB, STMB et TLB provenant du dispositif de contrôle de fonctionnement 71 et destinés aux dispositifs de contrôle associés à la colonne montante 12. Correne représenté dans la figure 3, des perturbations P affectent par intermittence le fonctionnement de l'installation 70. Ces perturbations peuvent 25 être constituées par des variations de caractéristiques de l'alimentation en pétrole brut non encore soumis au cracking ou du pétrole recyclé, aussi bien que par des modifications internes dans l'installation, par exemple le degré de régénération du catalyseur. 30 Un dispositif de contrôle d'optimisation 72 régulé le fonctionnement général du dispositif de contrôle de façon à obtenir une rentabilité maximale. Lè dispositif de contrôle d'optimisation 72 peut être constitué par un dispositif d'optimisation utilisé dans la technique des calculateurs, par 35 exemple un programme linéaire d'optimisation. Lé dispositif de contrôle d'optimisation 72 utilise un modèle d'installation 73 comportant un modèle mathématique de l'installation de cracking catalytique en phase liquide, comme il est bien connu dans la technique. Le modèle d'installation 73 utilise des informations 40 provenant de l'installation 70 pour effectuer la mise a jour du 69 19505 / 2010826 modèle mathématique. Le dispositif de contrôle d'optimisation 72 utilise aussi un modèle économique 74 comportant un modèle mathématique utilisant les facteurs économiques affectant la rentabilité de l'installation et les relations qui existent entre ces 5 facteurs. Le modèle économique 74 est naturellement mis à jour à l'apparition de modifications des facteurs économiques ou de leurs relations mutuelles. Le dispositif de contrôle d'optimisation 72, utilisant le modèle d'installation 73 et le modèle économique 74, dé-10 termine les conditions de "fonctionnement de l'installation qui correspondent à la rentabilité maximale. Les informations obtenues sont envoyées au dispositif de contrôle de fonctionnement 71. Le dispositif de contrôle de fonctionnement 71 fixe à son tour les valeurs de consigne du réglage fournis aux dispositifs de contrôle 15 associés respectivement aux colonnes montantes 11 et 12 de façon à atteindre une rentabilité maximale de l'installation dans les limites de fonctionnement imposées. Les figures 4 et 4a représentent des organigrammes typiques de calculateur illustrant le fonctionnement du dispositif 20 complet de contrôle de l'installation représenté dans la figure 3. Dans le figure 4a, les valeurs de consigne courantes TLA., STMA, FA et RA. des signaux de réglage destinés a la colonne montante 11, appelée ci-après colonne montante A, et les valeurs TLB} STMB, FB et RB des signaux de réglage destinés à la colonne montante 129 25 appelée ci-après colonne montante B, sont lues et on attribue une"valeur TK à la température du régénérateur de catalyseur. On fixe aussi une valeur GRC représentant le pourcentage en poids de carbone du catalyseur régénéré et une valeur CVCTFA représentant la conversion catalytique du pétrole nouvellement introduit 30 dans la colonne montante 11. L'attribution de ces valeurs est effectuée par un dispositif de commande à-l'entrée du dispositif de contrôle par calculateur, par exemple un panneau de contrôle;, une entrée comportant une machine à écrire ou une entrée de cartes perforées où elle est effectuée sous le contrôle d'un programme» 35 ces valeurs étant nécessaires à la résolution des équations si-» multanées. Le calculateur servant au contrôle de l'installation est programmé, comme il est bien connu dans la technique, pour effectuer des calculs cinétiques, thermodynamiques, et de rendement destinés à la colonne montante 11 ou A afin d'obtenir une 40 valeur calculée de CVCTFA qui représente la conversion catalyti- BAD OfîïîJttAL 69 19505 8 2010826 que du pétrole brut alimentant la colonne montante 11 ou A. Les équations représentant le fonctionnement de l'installation de cracking catalytique en phase liquide, utilisées pour ces calculs sont bien connues dans la technique. On peut se référer par 5 exemple aux ouvrages de E.S Savas "Computer Control of Industriel Processes", Me Graw Hill Book Company, 1965 et de W.L. Nelson" Petroleum Refinery Engineering, 1958. La valeur de conversion attribuée à CVCTFA est ensuite comparée à la valeur de conversion calculée CVCTFA. Si 3D les deux valeurs ne sont pas identiques, on attribue une nouvelle valeur à CVCTFA et on recommence les calculs jusqu'à ce que les valeurs attribuée et calculée soient identiques. On attribue ensuite une valeur à CVCTFB représentant la conversion catalytique du pétrole brut alimentant la 15 colonne montante 12 ou B. Le calculateur servant au contrôle de l'installation effectue alors les calculs cinétiques, thermodynamiques et ce rendement destinés à la colonne montante 12 ou B pour obtenir une valeur calculée de CVCTFB représentant la conversion catalytique dans la colonne montante 12 ou B. Les valeurs 20 de conversion CVCTFB calculée et attribuée sont comparées et si elles ne sont pas égales, on attribue une nouvelle valeur de conversion à CVCFTB et on recommence les calculs jusqu'à ce que les valeurs attribuée et calculée soient identiques. Le système de contrôle par ordinateur effectue 25 ensuite des calculs déterminant le débit total dans les colonnes montantes afin de déterminer les propriétés du mélange pénétrant dans la chambre de réaction principale. On attribue une valeur à TR, représentant la température dans la chambre de réaction 10, et le calculateur servant au contrôle de l'installation effectue 30 des calculs cinétiques, thermodynamiques et de rendement pour la chambre de réaction, comme il est bien connu dans la technique, pour obtenir une valeur calculée de la température TR. Les valeurs attribuée et calculée TR sont comparées et, si elles ne sont pas identiques, on attribue une nouvelle valeur à TR. Lorsque 35 les valeurs calculée et comparée de TR sont égales, l'ordinateur effectue des calculs sur la cokéfaction» des calculs cinétiques et thermodynamiques pour le régénérateur de catalyseur 22 afin d'obtenir le pourcentage en poids de carbone re.stant sur le catalyseur régénéré, ce pourcentage étant représenté par la valeur ^/SPQRIGfNAL ' C-9 19505 2010826 CRC. Si la valeur calculée CRC n'est pas égale à la valeur CRC initialement attribuée, on attribue une nouvelle valeur à CRC et les calculs précédents sont repris, comme indiqué dans les figures 4a et 4b. ^ Si les valeurs calculée et attribuée CRC sont identiques, le dispositif de contrôle pour calculateur effectue des calculs thermodynamiques d'équilibre thermique pour le régénérateur de catalyseur 22 afin d'obtenir une valeur calculée TK représentant la temp'érature du régénérateur. La valeur calculée ^ de TK est ensuite comparée à la valeur TK initialement attribuée et, si les deux valeurs ne sont pas identiques, on attribue une nouvelle valeur TK à la température du régénérateur et les calculs précédents sont répétés, comme représenté dans les figures 4a et 4b. Lorsque toutes les valeurs attribuées sont confirmées par les calculs, les conditions de fonctionnement réelles de l'installation de cracking catalytique en phase liquide sont connues et le dispositif de contrôle par calculateur peut effec-' tuer les calculs de rendement, de contraintes, de conversion des 4 essences de pétrole et d'optimisation. On attribue alors différentes valeurs nominales aux signaux de réglage, en général suivant un modèle prédéterminé, et les calculs représentés dans les figures 4a et 4b sont répétés pour déterminer les valeurs de consigne des signaux de réglage qui fournissent une rentabilité 25 optimale de l'installation. Si l'on a atteint le point de fonctionnement optimal ou si l'on a effectué un nombre d'itérations prédéterminé, comme représenté dans les' figures 4a et 4b, le calculateur contrôlant l'installation établit les valeurs de consigne des signaux de réglage destinés aux dispositifs de contrôle de l'ins-30 tallation. Suivant des intervalles périodiques, les calculs d'optimisation représentés dans les figures 4a et 4b sont répétés pour maintenir des conditions de fonctionnement optimal de l'installation. Suivant la présente invention, le contrôle individuel des conditions de fonctionnement dans chaque colonne montante permet 35 d'obtenir une rentabilité optimale pour l'installation de cracking catalytique en phase liquide. Bien que l'invention ait été décrite pour illustrer le procédé en se référant à un montage particulier, on doit aaapxim-dre que l'on peut y apporter différentes modifications quant à la 40 structure, aux Matériaux utilisés, à l'ordre des calculs etc, sans 10 19505 2010826 sortir du cadre de cette invention. 69 19505 2010826 - REVENDICATIONS - 1. Dispositif de contrôle pour une installation de cracking catalytique en phase liquide comportant une chambre de réaction à laquelle aboutissent au moins deux colonnes montantes, 5 caractérisé par le fait qu'il comporte un premier circuit de contrôle associé à une première colonne montante et destiné à contrôler les 'conditions de fonctionnement dans cette première colonne montante et un second circuit de contrôle associé a une seconde colonne montante et destiné à contrôler les conditions de fonc-10 tionnement dans cette seconde colonne indépendamment des conditions existant dans la première colonne. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le premier et le second circuits de contrôle comportent chacun un dispositif de contrôle de la température des 15 produits à l'intérieur des colonnes montantes. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le premier et le second circuits de contrôle comportent chacun un dispositif destiné à contrôler les proportions relatives de pétrole n'ayant pas encore subi de cracking et de 20 pétrole recyclé dans les colonnes montantes- 4. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le premier et le second circuits de contrôle comportent un dispositif de contrôle analogique répondant aux valeurs de consigne des signaux de réglage. 25 5. Dispositif suivant la revendication 1, caracté risé par le fait qu'il comporte un régénérateur de catalyseur relié à la chambre de réaction et recevant le catalyseur en provenance de cette chambre de réaction, un dispositif de fractionnement destiné à séparer les essences et le pétrole recyclé à la sortie de 30 la chambre de réaction, des conduites d'amenée du pétrole nouvellement introduit dans l'installation de cracking catalytique en phase liquide, des conduites d'amenée de vapeur dans l'installation de cracking, le premier et le second circuits de contrôle étant respectivement destinés à contrôler le débit du pétrole nouvelle-35 j&ént introduit, du pétrole recyclé, de la vapeur et du catalyseur dans la première et la seconde colonne montante. 6. Procédé de contrôle du fonctionnement d'une installation de cracking catalytique en phase liquide comprenant une chambEe de réaction, une première et une seconde colonne montante g&D ORIGINAL 69 19505 12 2010826 reliées à la chambre de réaction et des circuits de contrôle destinés à contrôler les conditions existant dans la première et la seconde colonne montante, caractérisé par le fait qu'il consiste à déterminer le taux de conversion des produits dans la 5 première colonne montante, dans la seconde colonne montante et dans la chambre de réaction, à déterminer la rentabilité de l'installation de cracking catalytique en phase liquide pour des conditions de fonctionnement prédéterminées dans les colonnes montantes, à attribuer des valeurs aux différentes conditions exis-]0 tant dans une ou plusieurs .colonnes montantes et à répéter les opérations précédentes jusqu'à ce que les conditions attribuées arbitrairement pour les colonnes montantes correspondent à une rentabilité optimale de l'installation de cracking catalytique en phase liquide et à régler les conditions de'fonctionnement en 15 conséquence. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il consiste à déterminer les conditions optimales dans la première colonne montante pour obtenir un fonctionnement optimal de 1'installation, à déterminer les ccndi-20 tions optimales dans la seconde colonne montante pour obtenir un fonctionnement optimal de l'installation, à régler les conditions de fonctionnement dans la première et la seconde colonne montante comme déterminé précéderaient pour obtenir un fonctionne .ent optimal de l'installation de cracking catalytique en phase 25 liquide et à rc-?£ter périodiquexent le cycle précédent. BÂO ORIGINAL 1