Brevet FR2069940A1 — publié le 19710910

L'invention concerne un mode opératoire nouveau pour la distillation. Par distillation on entend l'opération par laquelle les constituants d'un mélange liquide sont séparés par vaporisation partielle du mélange et récupérations distinctes de la vapeur et du résidu. Par distillation fractionnée, ou rectification, on entend une distillation conduite de telle sorte que les vapeurs émises par vaporisation partielle ou totale du mélange entrent en contact avec une portion condensée de la vapeur émise précédemment. Des transferts de chaleur et de matière résultent de ce contact, qui permettent un plus grand enrichissement de la vapeur en produits volatils ou " légers", et un plus grand enrichissement du résidu en produits " lourds". L'invention concerne aussi bien la distillation simple que la distillation fractionnée. Distillation et rectification peuvent etre réalisées soit en discontinu soit en continu. Dans le premier cas le mélange liquide à traiter est mis dans un récipient que l'on chauffe progressivement. Dans le second le mélange liquide est introduit régulièrement dans l'appareil de distillation appelé colonne ou tour de fractionnement. Il peut être chauffé préalablement ou seulement lorsqu'il est déjà introduit dans la colonne. L'invention concerne aussi bien les opérations discontinues que les opérations continues. Principe - L'invention revendique une combinaison intime du chauffage et de la distillation. Le chauffage est obtenu par une combustion réalisée soit dans l'équipement de distillation, soit dans un équipement qui lui est directement relié, les gaz de combustion ne s'échappant pas au dehors. Les gaz de combustion résultant du chauffage se mélangent aux vapeurs émises par le mélange à distiller, montent avec elles dans la tour de distillation et celle-ci réalise les fractionnements désirés en opérant sur le mélange des vapeurs et des gaz de combustion. On comprendra mieux les particularités de l'invention par la discussion qui suit et par un exemple détaillé. Chauffage direct Il existe une opération que l'on peut classer sous le vocable de distillation mais qu'il convient en fait d'appeler évaporation. C'est celle qui consiste en l'élimination d'un corps volatil, généralement de l'eau, de corps non volatils tels que des sels. La vapeur émise, en général l'eau, n'est ni fractionnée, ni récupérée. L'évaporation est généralement conduite par chauffage indirect ltévaporateur est chauffé par la flamme ou par un serpentin où circulent soit un liquide chaud, soit des sels fondus, soit de la vapeur, etc... Mais on utilise également le chauffage direct par la flamme : c'est le procédé dit de la " combustion submergée". Un bruleur alimenté en combustible et comburant ( air) crache directement sa flamme au sein de la solution à évaporer. On réalise ainsi un contact direct entre les gaz de combustion et le liquide à chauffer et évaporer. Le mélange des vapeurs et des gaz de combustion s'élève au-dessus de l'évaporateur et est rejeté à l'atmosphère sans aucune rectification. La présente invention découle de cette technique du chauffage direct. Elle en diffère toutefois essentiellement en ce que le mélange de vapeurs et de gaz de combustion, qui s'élève du liquide, est fractionné et rectifié, avantage étant tiré de la présence des gaz de combustion pour faciliter la rectification des vapeurs. Aussi, alors que la combustion submergée n'est appliquée actuellement qu'au chauffage ( eau de piscines) ou à l'évaporation de liquides dont les vapeurs ne sont pas fractionnées ( évaporation de solutions salines, concentration d'acide sulfurique, etc...) la présente invention revendique-t-elle seulement les domaines de la distillation et de la distillation fractionnée, à l'exclusion de l'évapora- tion. Chauffage par injection de vapeur Une façon de chauffer directement un mélange liquide que l'on désire fractionner par distillation consiste à y injecter de la vapeur d'eau saturée ou surchauffée. Cette vapeur d'eau chauffe le mélange liquide à distiller et s'élève dans la tour de fractionnement en compagnie des vapeurs émises par le dit mélange liquide, et le fractionnement est réalisé sur l'ensemble des vapeurs. L'invention ne couvre pas, évidemment, cette opération, qui ne comporte pas un chauffage direct, puisque la vapeur d'eau utilisée a été produite, en dehors de l'appareil de distillation, par une chaudière où le chauffage est indirect : transfert de la chaleur à travers une paroi solide, et où les gaz de combustion provenant du brûlage du combustible ( en vue de la production de la vapeur d'eau) sont rejetés à l'atmosphère sans participer à l'opération de distillation fractionnée. L'invention revendique le chauffage direct et l'emploi des gaz de combustion pour faciliter le fractionnement. Elle se situe donc hors de la pratique bien connue du chauffage par injection de vapeur. On doit noter toutefois que les gaz de combustion en présence desquels, selon l'invention, la distillation fractionnée est réalisée , peuvent contenir, et la plupart du temps contiennent, une grande quantité de vapeur d'eau. Celle-ci est due au fait que beaucoup de combustibles contiennent de l'hydrogène libre ou combiné : tel est le cas du gaz de ville, du gaz naturel, des produits pétroliers, etc.... Il va sans dire que le fait que les gaz de combustion renferment de la vapeur d'eau ne fait pas rentrer la présente invention dans le cadre de la pratique commune de chauffage par injection de vapeur, car, selon l'invention ladite vapeur d'eau provient directement de la combustion. En particulier l'invention couvre le cas où le chauffage direct est réalisé par combustion du mélange 2H2 + O2 : dans ce cas les gaz de combustion sont constitués de vapeur d'eau pure. Et la distillation fractionnée est réalisée sur l'ensemble des vapeurs émises par le mélange liquide et des gaz de combustion. L'invention couvre aussi le cas où, aux gaz de combustion résultant de la combustion normale d'un combustible quelconque, et qui vont participer à la distillation fractionnée, l'on ajoute une certaine quantité de vapeur d'eau. En particulier l'invention couvre le cas où le brûlage du combustible est pratiqué au sein de l'eau, les gaz de combustion et la vapeur d'eau produite étant ensuite utilisés au chauffage et au fractionnement du mélange liquide à distiller. En d'autres termes chaque fois que chauffage et fractionnement d'un mélange liquide sont réalisés directement sans séparation des gaz de combustion ou de leurs ajouts ( ici vapeur d'eau) on est dans le domaine de l'invention. Injection de gaz inertes D'autres gaz que la vapeur d'eau sont utilisés couramment pour ou , ou le " strippage" des produits légers : par exemple le co2, l'azote, etc.... Or, les gaz de combustion contiennent de grandes quantités de C02 et d'azote. Ici encore le domaine de l'invention ne saurait être confondu avec le domaine public, car elle exige que ce soit les produits de la combustion qui soient introduits, en même temps que la chaleur nécessaire à la distillation, dans l'appareil de fractionnement. Modes de chauffage L'invention revendique le chauffage direct des produits à fractionner. Et l'on a jusqu'à présent évoqué le cas où un bruleur alimenté en combustible et en comburant était directement placé au sein du mélange à distiller. Il y a lieu de mentionner tout de suite le cas où le mélange à distiller est lui-mëme combustible. Dans ce cas il peut se révéler possible de n'introduire, pour le chauffage du mélange à distiller, que du comburant, oxygène ou air. La présente invention couvre ce cas, avec comme plus haut, la restriction habituelle : à savoir que les gaz de combustion participent au fractionnement ultérieur des vapeurs émises par le mélange liquide.On connait les travaux que le Professeur Cathala a poursuivis à l'institut du Génie Chimique de Toulouse au sujet de la vaporisation du (i) Soufre ) : il a montré que l'introduction d'air, ou d'oxygène, dans du soufre fondu provoquait la combustion d'une partie du soufre : le dégagement de chaleur correspondant permet la vaporisation dwune quantité suph plémentaire de soufre , 10 à 15 fois supérieure à la quantité brûlée. La combustion vaporisante est donc connue. Mais ici encore l'invention se 3in tue en dehors du domaine exploré par le Professeur Cathala, car si dans le cas du soufre la vaporisation est bel et bien réalisée par chauffage direct, elle n'est pas suivie d'une rectification.Dans le cas du soufre elle n'aurait d'ailleurs pas de raison d'être puisqu'il s'agit d'un corps pur. Dans ses études le Professeur Cathala a également étudié le cas des hydrocarbures. Il envisage de les vaporiser par le meme procédé de combustion inversée ( introduction d'air dans l'hydrocarbure) qu'il a utilisé dans le cas du soufre. Mais ici encore les vapeurs émises ne sont pas fractionnées elles sont seulement bramées. Encore faut-il noter qu'il y a as fortes raisons de penser que la combustion vaporisante ne saurait s'appliquer aux hydrocarbures comme au soufre.En effet, l'introduction d'oxygène ou d'air dans des hydrocarbures n'amènera passdans les conditions prévues par le Professeur Cathala, la combustion totale d'une molécule d'hydrocarbure et la vaporisation concommittante de 30. à 50 molécules d'hydrocarbures pursgmais bel et bien l'oxydation partielle de la presque tota lité des molécules 9 avec formation de produits oxygénés divers, tels qu'acides, aldéhydes, alcools, cétones, etc..,et aussi de produits deshydrogénés. Ceci n'a peut être pas d'inconvénients lorsque les produits vaporisés sont brûlés mais en a beaucoup dans le cas où l'on veut les récupérer tels qu'ils sont.Quoiqu'il en soit l'invention couvre aussi bien le cas où le chauffage du mélange à distiller est réalisé par combustion inversée (2) que les cas où il est réalisé par combustion directe. (1) - Relazione presentata alle " Giornate della chimica 1963" Milano 7.16 Giugno 1963 - Communication aux Journées Chimiques de Mulhouse - 25 Juin 1965. (2) Combustion inversée : Combustion dans laquelle le comburant est introduit dans le combustible. Le combustible peut être quelconque, en particulier il peut etre le mélange à distiller lui même. Dans l'exemple donné plus loin un mélange d'hydrocarbures est chauffé par combustion d'un hydrocarbure. Le dispositif de chauffage peut être placé dans la tour de distillation elle-même-ou hors de cette tour; dans l'exemple donné plus loin il est partiellement hors de la tour, partiellement dans la tour. Aux gaz de combustion peuvent être ajoutés de la vapeur d'eau, de l'azote, etc... En particulier on peut réaliser la combustion au sein de l'eau et introduire dans la tour les gaz de combustion plus la vapeur d'eau : ce mélange peut lui même etre réchauffé avant son introduction dans la tour, ou dans la tour même, par une seconde combustion, etc.. Chaque cas devra être optimalisé : tant que le chauffage sera direct, c'est-à-dire que les produits de la combustion seront au contact direct des produits à distiller et participeront au fractionnement des vapeurs émises par ces produits, on restera dans le cadre de la présente invention. Description Les figures (1) (2) (3) (4) de la planche I/7 permettent de comprendre le mécanisme de la distillation à chauffage intégré (D.C.I.) objet de l'invention. Le mélange liquide à distiller M est mis ( ou introduit de façon continue) dans l'appareil distillatoire qui comprend, schématiquement, une cuve C et une colonne de rectification R. Pour réaliser la distillation il faut (a) fournir de la chaleur, (b) porter le mélange à une certaine température t , telle que des va v peurs V soient émises par le mélange liquide. La température t à laquelle doit être porté le mélange liquide v dépend de la pression Tr qui règne dans l'appareil, et aussi de la concentration des vapeurs V dans l'atmosphère gazeuse G de l'appareil à distiller. Cette température est une fonction plus ou moins compliquée du produit Tr x V , appelé " pression partielle" des vapeurs. G Dans la pratique habituelle, le chauffage est indirect, comme le montre la figure 1 : le mélange M est chauffé dans un four où du combustible est brillé, les gaz de combustion (fumées) étant évacuées à l'air. De plus si la distillation est difficile, en particulier si le mélange M est plus volatil, on abaisse sa température t de vaporisation par l'un v et(ou) l'autre des procédés suivants (figure 1): (a) Diminution de la pression qui règne dans l'appareil au moyen de dispositifs D permettant de réaliser un vide plus ou moins poussé. (b) diminution de la concentration des vapeurs V dans la phase gazeuse totale, par introduction de gaz, généralement de la vapeur d'eau. Ces deux procédés permettent d'abaisser le produit # x V/G, ou pression partielle. Dans le procédé qui fait l'objet de l'invention, appelé " distillation à chauffage intégré" (D.C.I.) dont la figure 2 schématise une réalisation le chauffage est direct : combustible et comburant sont brû- lés dans le mélange M apportant ainsi la chaleur nécessaire à la distillation mais apportant aussi des fumées F qui se mélangent aux vapeurs V donnant une atmosphère gazeuse G = V + F. Ainsi est réalisé, en même temps que le chauffage, l'abaissement de la pression partielle, favorable à la distillation. Les figures (3) et (4) permettent de comprendre le mécanisme : le mélange liquide M est caractérisé par une certaine relation entre la pression partielle de ses vapeurs dans la phase gazeuse et m température de vaporisation T (figure 3). v Cette température de vaporisation T est la température à laquelle v il faut porter le mélange M pour que la tension de vapeur du liquide soit égale à la pression partielle des vapeurs, condition nécessaire pour réaliser la distillation. Si maintenant ( figure 4) on introduit dans le mélange M,placé dans un appareil distillatoire où règne la pression lt , des quantités croissantes de combustible, sa température monte suivant-la courbe (1); simultanément la pression partielle des vapeurs baisse suivant la caurbe(2).De ce fait la température de vaporisation T baisse suivant la courbe(3).Donc v plus l'on introduit de combustible,plus l'on abaisse la température de vaporisation T . Tout se passe comme si l'on faisait le vide, ou une forte v injection de vapeur, en même temps que l'on chauffe Il arrive un moment où la quantité de combustible brillée est suffisante pour que la température du mélange M atteigne précisément la tem pérature de vaporisation T . On est alors au point T : la distillation se v fait, sous la pression partielle P, avec la quantité de combustible Q. Ainsi les gaz de combustion eux-mêmes servent à l'abaissement de la pression partielle et de la température de vaporisation. Avantages de la distillation à chauffage intégré L'application de la distillation à chauffage intégré procure une série d'avantages, parmi lesquels a) lasupE-ssion - four : cet appareil est parfois fort complexe et encombrant, d'autant plus que certaines opérations de distillation portent sur des quantités considérables. Il comporte parfois plusieurs kilomètres de tubes, à travers la paroi desquels la chaleur est transmise. De plus, son rendement n'est jamais très élevé, 20 5 ou plus de la chaleur fournie par le combustible ( mesurée sur le pouvoir calorifique inférieur) étant perdus à l'atmosphère pour diverses raisons. On revieg- dra plus loin sur ce point. Dans le chauffage intégré le contact direct entre les gaz de combustion et le mélange liquide à chauffer permet la suppression des tubes d'échange; un appareillage beaucoup plus simple et moins motteux, tel qu'une simple cuve, peut convenir. b) l'amélioration du rendement de la combustion En effet, dans la méthode habituelle les fumées évacuées à l'atmosphère sont à température élevée, par exemple 250 à 3500C. Dans la distillation à chauffage intégré, elles seront, au sommet de la tour ( avant leur refroidissement, puis leur évacuation à l'atmosphère) à la température de ce sommet, généralement bien moindre que 2500C. c) LasupEre-ion- u-e Des distillations habituellement conduites sous vide peuvent être réalisées dans une tour travaillant à la pression atmosphérique.Ea effet, les vapeurs , du fait de leur forte dilution par les gaz de combustion ont une pression partielle faible. d) la supSression des injections de vapeur La dilution par les fumées remplace la dilution par la vapeur,pour abaissement de la pression partielle. La suppression des injections de vapeur économise la chaudière pour la production de cette vapeur. e) l'amélioration du fractionnement L'abaissement de la pression partielle dû au chauffage intégré permet de réaliser la distillation à des températures relativement basses, inférieures à celles qu'on aurait en distillant à la pression atmosphérique. Dans ces conditions, les volatilités relatives des divers constituants à séparer sont élevées : une même séparation peut être réalisée avec moins de plateaux de fractionnement. f) le~s~rippage~efficace des nroduits~l~g~rs Dans la distillation habituelle les produits soutirés à diverses hauteurs de la tour de fractionnement ne sont pas toujours bien débarrassés des fractions légères : on est obligé de les traiter, dans une tour annexe, appelée " strippeur", par une injection de vapeur.Dans la distillation à chauffage intégré, l'effet de strippage du aux gaz de combustion dans la tour elle-même est considérable et les strippeurs sont inutiles. Problèmes posés saur la distillation à chauffage intégré Un certain nombre de problèmes résultent de l'emploi de la distillation à chauffage intégré, parmi lesquels a) Eroblèmes de~stabilité~the~miqEe~- Il est nécessaire que les produits à distiller supportent le contact des gaz très chauds de la combustion. Mais ce contact est court, la masse à chauffer est toujours très supérieure à la masse chauffante ( gaz de combustion). En sorte que les gaz de combustion sont très vite ramenés à la température du mélange liquide à distiller, qui est sa température de vaporisation.La stabilité thermique ne pose, à priori, pas plus de problème dans le cas D.C.I. que dans le cas du chauffage indirect. b) Problèmes de sécurité - Si le D.C.I. est appliquée à des mélange ges combustibles, tels que des hydrocarbures, il faut s'assurer que les brûleurs sont bien réglés et que tout le comburant introduit est utilisé. Ceci ne présente pas de problème particulier. Par contre, lwavantage d'avoir une combustion dans un espace clos est réel. Les fours que l'on utilise dans la technique habituelle, étant ouverts à l'air, sont susceptibles d'enflammer toute fuite, qu'elle vienne du four lui-même, ou de lVextérieur. Les feux de four ou les feux dus aux fours ne sont pas rares. Il est cependant exclu d'utiliser la distillation à chauffage intégré sur des produits explosifs. c) Dimensionnement de la tour - hes fumées occupant V aoiunz imor- tant, la tour devra avoir une section importante. Par contre, certains fractionnements exigeront moins de plateaux, par D.C.I., à cause de la faible pression partielle, que sous la pression atmosphérique à chauffage indirect : la hauteur sera réduite. Chaque cas devra être étudié spécialement, en vue de déterminer le dimensionnement le plus économique. d) Problème de refroidissement - Les vapeurs montant dans la tour en compagnie des fumées un problème se pose pour le refroidissement de la tête de colonne où se trouvent d'une part les vapeurs les plus légères, d'autre part toutes les fumées. Le refroidissement est nécessaire pour deux raisons : d'une part pour éviter que les vapeurs légères de tête ne soient perdus à l'atmosphère avec les fumées, qui sortent par un évent ( la tour D.C.l. est, en quelque sorte, une cheminée garnie de plateaux de fractionnement); d'autre part pour procurer tout ou partie du reflux. Diverses solutions peuvent être trouvées pour réaliser ce refroidissement, sans sortir du cadre de l'invention : refroidissement indirect (réfrigérants tubulaires du type classique) ou direct : contact des fumées + vapeurs avec de l'eau circulant sur des plateaux. Généralement on trouvera que la grande masse de fumées interdit l'emploi du refroidissement indirect, d'une part. Et, d'autre part, que les pertes de produits à la cheminée ne sont maintenues à des valeurs faibles, par des tmoyens économiques, que si les vapeurs de tête ne sont pas trop légères.Par exemple, dans le cas des hydrocarbures, on trouvera que les vapeurs de tête ne doivent pas être constituées de produits bouillant avant2OO0C. 'Sinon un refroidissement normal par un courant d'eau ne permettra pas d'éviter des pertes importantes et même prohibitives à la cheminée. On pourra, il est vrai, diminuer ces pertes par un lavage des fumées au moyen d'un solvant lourd, mais au prix de complications supplémentaires. Ceci revient à dire que, dans la majorité des cas, la D.C.I. ne sera applicable que sur des mélanges à distiller ne contenant pas de produits trop légers. e) Introduction de combustible et du comburant - L'appareil à distiller étant à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique, un problème se pose pour l'introduction du combustible : s'il est gazeux il est généralement disponible sous pression, sinon on le comprimera. S'il est liquide on le pompera. Le problème pour l'introduction du comburant, qui est généralement de l'air, est plus important car la masse d'air est 10 à 15 fois celle du combustible. Des solutions diverses peuvent lui être apportées sans sortir du cadre de l'invention. Le fait d'utiliser de l'énergie pour souffler l'air ne doit pas à priori être considéré comme un handicap. En effet, dans le procédé habituel de chauffage par four, la même quantité d'air est véhiculée, par la cheminée, laquelle constitue une machine thermique de déplorable rendement. Dans l'exemple suivant on utilise une turbosoufflante, mais tous autres dispositifs, peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l'invention. Bilan Au total, la distillation à chauffage intégré, objet de l'invention, permet dans de nombreux cas - une simplification de l'appareillage - une économie de matériel - une économie d'utilités. Domaines d'application La distillation fractionnée est utilisée dans de si nombreux cas qu'il est impossible de déterminer à l'avance ceux où la distillation à à chauffage intégré ( D.C.I.) objet de la présente invention peut être utilisée avec profit. D'une façon générale, la D.C.I. doit être envisagée chaque fois que l'on affaire à des mélanges relativement peu volatils. Mais l'opération de distillation est un tout : l'application d'un mode de chauffage nouveau a des répercussions sur l'ensemble de l'opération et de l'appareillage nécessaire : le chauffage intégré entrasse un nouveau dimensionnement de la tour de fractionnement, pose des problèmes pour le refroidissement de la tête de colonne, change les consommations de combustible, de vapeur, etc... Chaque cas doit être considéré à part et lorsque la D.C.I. peut s'appliquer, on doit procéder à la recherche des conditions optimales de son application. Le domaine de la présente invention ne saurait être limité en considération du fait que telle ou telle application n'a pas été ici décrite. Et l'exemple qui est développé ici n'est nullement limitatif. Exemple d'application : Distillation primaire des pétroles bruts On sait que l'industrie du pétrole utilise la distillation fractionnée à très grande échelle. Cette distillation est pratiquée dans les conditions les plus variées à basse ou haute température, sous pression ou sans pression ou sous vide, avec ou sans injection de vapeur d'au,etc... En particulier, on sait que la distillation des fractions lourdes pose des problèmes. On opère généralement sous vide, ce qui exige un appareillage spécial pour créer et maintenir le vide, et en présence de grandes quantités de vapeur d'eau qui abaissent la pression partielle des hydrocarbures. La D.C.I. trouve là un domaine important d'application, comme le montre cet exemple où elle est utilisée à la distillation primaire d'un pétrole brut. On appelle distillation primaire ou distillation initiale l'opéra- tion par laquelle les pétroles bruts ou " bruts" sont fractionnés en " coupes" telles qu'essences, gas-oils, etc... Coupes qui subiront ensuite divers traitements de transformation ou de finition. La distillation primaire est une opération considérable puisqu'elle porte sur la totalité du " brut" utilisé dans le monde, soit près de deux milliards de tonnes par an. Elle est réalisée dans des appareillages de forte capacité, jusqu'à 8 --10 millions de tonnes annuelles. Et cependant on est surpris de voir que ces équipements ne sont que la reproduction, en plus grand, de ceux que l'on utilisait, il y a une vingtaine d'années, pour distiller annuellement 80 à 100.000 tonnes. En d'autres termes l'échelle est différente mais la conception est toujours la même. La D.C.I. permet, dans ce cas, une simplification de l'appareillage, une réduction du coût du matériel, une diminution des frais opératoires. Mode opératoire actuel pour la distillation des pétroles bruts On prendra comme type une installation de conception classique mais de réalisation moderne, capable de traiter 1000 m3 par heure d'un pétrole brut en provenance d'Arabie Séoudie, brut dénommé Aramco. Cette unité, dite unité type (U.T.) schématisée sur la planche 11/7, figure 1, permet l'obtention d'essence, de gas-oils, etc... et aussi de distillats destinés à la fabrication des huiles de graissage, ainsi que d'un " résidu" peu abondant ( 1d ,Ma du brut) également destiné à l'obtention d'huiles de graissage après élimination des asphaltes. a) le brut est d'abord préchauffé par échange de chaleur avec les produits sortant. b9 Puis il est introduit en E dans un four F.1. Cet appareil comprend une boite à feu dans laquelle sont disposés de nombreux tubes de diamètre 15 cm. Au total il y a 7 kilomètres de tubes. c) Puis il est introduit dans une première tour de distillation T.1 dite tour atmosphérique. En 1 sont obtenus les produits légers gaz et essence. A diverses hauteurs sont extraits des " soutirages" 5.1 S.2, S.3 . Avant d'être évacués de unité, ces soutirages passent dans des rt strippeurs 2,3 " , où des injections de vapeur les débarrassent des fractions légères restantes. Au fond en 7, est soutiré le " brut réduit atmosphérique" qui, lui aussi, reçoit une forte injection de vapeur de strippage. d) Le brut réduit du fond de la tour atmosphérique est introduit dans un second four F.2 qui comporte 120 tubes de 15 mètres chacun, soit 1,8 kilomètre; e) Le brut réduit ainsi réchauffé jusqu vers 410 OC entre alors dans la tour T.2 dite tour sous vide, où règne une pression absolue de l'ordre de 100 à 200 mm de mercure. Une batterie d'éjecteurs V, branchée sur le haut de la tour maintient le vide. Pour éviter dans la mesure du possible des entraînements de produits relativement légers, tels que les gas-oils vers l'appareillage de vide, un fort reflux circulant est maintenu au sommet de la colonne. A diverses hauteurs sont soutirés des gas-oils et des dis tillats pour fabrication d'huiles S.4, s.5,S.6 Avant de quitter l'unité ces soutirages passent dans des"strippeurs" 4,5s6 où des injections de vapeur les débarrassent des fractions légères restantes. En fond de tour en 8 est extrait le " résidu" qui, lui aussi, reçoit une forte injection de vapeur de strippage. Au total on s'aperçoit que les appareils sont complexes : deux tours, deux fours, des strippeurs sur chaque soutirage, des appareillages de vide, on s'aperçoit aussi que l'opération entraîne une consommation importante de combustibles ( chacun des deux fours n'ayant qu'un rendement de 1'or- dre de 80 %, mesuré sur le pouvoir calorifique inférieur du combustible), et de sapeur, injectée dans les strippeurs, au fond des deux tours, et dans les éjecteurs de la batterie de vide. il est certain que chaque constructeur peut avoir sa propre concep- tion du dessin d'une unité de distillation primaire, que l'un peut adop ter tel type de four, un autre tel équipement de vide, etc... 9 il est certain aussi que la complexité de l'appareillage varie suivant les pétroles bruts que l'on distille et les " coupes" que l'on veut obtenir. Mais l'homme de lart reconnaît dans la description ci-dessus la figure sommaire mais exacte des équipements universellement utilisés aujourd'hui pour la distillation poussée ( seulement 18 % de résidu) d'un brut te que l'Aramco. Mode opératoire D.C.I. pour la distillation des pétroles bruts On décrit l'un des modes opératoires possibles pour la distillation de la même quantité horaire du même brut Âramco, en vue de l'obtention des mêmes coupes, et du même taux de réduction. Le schéma représentatif est donné Planche Il/7, figure 2. a) Le brut est d'abord préchauffé par échange de chaleur avec les produits sortant. b) Puis il est débarrassé des produits légers par une opération de distillation classique', limitée toutefois à l'enlèvement des produits plus légers que le gas-oil . Pour cela le brnt préchau- fé entre en E dans un four Fg et dans une tour m*)O Ces deux appareils marchent dans des conditions comparables à elles de Fe1 et To1 de la figure 1 même planche, mais toutefois sont beaucoup moins chargés et de dimensions moindres En tête en 1 et au soutirage unique de T.3 en 29 sont sortis les gaz et les essences. ku fond en 3 est soutiré le brut étêté ou " toppé" qui reçoit une injection de vapeur. c) Le brut toppé va à la tour à chauffage intégré T.C.I. Au fond de cette tour en B sont disposés des bradeurs, ali mentés en combustible, introduit sous une légère pression par la ligne X, et en air, comprimé et chauffé par un appareil de compression C. En tête de tour, fisuréepar la ligne T-T, sortent les fumées et une partie du gas-oil, à l'état de vapeur. Ce mélange est refroidi dans la zone comprise entre T-T et le départ à l'évent E. Les fumées froides sont évacuées à l'atmosphère par l'évent E, les vapeurs de gas-oil sont conden sées et récupérées. Entre la tête de colonne et le fond , des soutirages 4,5, 6,7 permettent ltobtention de diverses coupes de gas oils, distil lats pour huiles, etc.. Au fond est soutiré le résidu. Il nty a pas de four. il nty a pas de strippeurs. Aucune vapeur n'est injectée. Exemple détaillé En matière de distillation un changement dans le mode de chauffage, tel que celui apporté par le chauffage intégré, objet de l'invention, a des répercussions sur l'ensemble de l'opération. Aussi est-il nécessaire pour bien comprendre comment peut être appliquée la distillation à chauffage intégré, d'étudier complètement un cas précis. Ceci permet de voir comment l'on peut mener le calcul d'une installation de distillation à chauffage intégré : il présente, en effet, certaines particularités du fait que chaque fois que l'on change le chauffage par introduction de combustible, l'on change aussi la pression partielle des produits à distiller. Ceci permet aussi de donner des indications précises sur les conditions d'application de l'invention et sur quelques uns des problèmes que son emploi peut poser. Ceci permet enfin de montrer de façon réaliste les possibilités de l'invention et les avantages qu'on peut en attendre, parce que les ordres de grandeur indiqués dans l'exemple parlent tout de suite à l'homme de l'art. Calculs Le cas étudié est celui de la distillation primaire de 1.000 mètres cubes par heure de pétrole brut en provenance de l'Arabie Séoudite, brut appelé Aramco. Les coupes sorties sont les mêmes que ce les obtenues à partir du même brut dans un appareil industriel existant, de capacité identique; cet appareil est celui que l'on a déjà décrit plus haut et que l'on appelle ici Unité type (U.T.). Il s'agit d'un appareil de conception classique mais de réalisation moderne. Les calculs sont basés d'une part sur des données de laboratoire (propriétés du brut Aramco), d'autre part sur des données physiques, corrélations, etc que l'on peut trouver dans divers documents tels que les suivants - W.L. NELSON - Petroleum Refinery Engineering 4e Edit. 1958 Mc Graw-Bill Edit. - J.B. MAXWELL - Data Book on Hydrocarbons. Van Nostrand Edit. - TECHNICAL DATA BOOK - 1966. Edition de l'American Petroleum Institute. - P. WUITHIER - Raffinage et Génie Chimique - 1965 Editions Technip Paris. C'est aux figures et procédures de ce dernier document que l'on se réfère dans cet exemple. Â - DONNEES a-1 - Pétrole brut Provenance : arable Séoudite Dénomination : Aramco D15 . 0,849(1) P.M. : 208 . (2) V . 116 (3) Kw 11.6 (3) Voir Planche III/7 les principales propriétés des coupes instanta nées (4). (1) D15 - Densité à 15 C (2) P.M. ou P.Mol. Poids moléculaire (3) Kw : Facteur de caractérisation de Watson et Nelson, appelé aussi KU.O.P. (4) T.B.P. : Distillation True Boiling Point Me ABP : Température moyenne pondérée. a-2 - Coupes U.T. fournit les fractions suivantes : Fractions % Vol. ~ Remarques (1) 21.8 - Fraction sortie en tête de tour atmosphérique et refractionnée dans un appareillage spécial en a) gaz et butane, b) essence légère, c) essence intermédiaire, (2) 11.4 - Fraction sortie au 1er soutirage atmosphérique et refractionnée dans un appareillage spécial en a) essence lourde, b) carburéacteur. (3) 15.7 - Fraction sortie en soutirage atmosphérique : gaz oil erX (4) 8.2 - Fraction sortie en soutirage atmosphérique : gaz oil lourd. 57.1 Total distillé en tour atmosphérique. (5) 9 - Fraction sortie en tête et soutirage sous vide : gas oil. (6) 7*1 - fraction sortie en soutirage sous vide: distillat pour huile. (7) 4.9 - Fraction sortie en soutirage sous vide: distillat pour huile (8) 4.2 - Fraction sortie en soutirage sous vide : fuel. (9) 17.5 - Fraction sortie en fond de tour sous vide :brut réduit à déasphalter. On n'a pas étudié dans cet exemple le détail du fractionnement dans la tour T.C.I., mais les conditions sont choisies pour donner les mêmes fractions et le même taux de réduction. B - PREPARATION DE LA CHARGE La distillation à chauffage intégré introduit dans la tour de fractionnement de grandes quantités de gaz de combustion, de fumées. Ceci est très favorable à la distillation des produits lourds, mais lorsque des produits légers sont présents,le procédé est sans intérêt, ou même inapplicable sans des complications qui lui enlèvent tout avantage; c'est ce qui se passe avec le brut Àramco étudié ici En effet, les fumées vont sortir en tête de la colonne de fractionnement, en compagnie des hydrocarbures légers (gaz et essences). Elles seront ensuite rejetées à l'atmosphère. Il importe d'arrêter les produits légersavant le départ des fumées à l'atmosphère. Des calculs non rapportés ici ont montré qu'aucun procédé (refroidissement, absorption, compression) ne permettait la récupération efficace et économique des dits produits légers, qui se trouvent dilués dans une masse considérable de fumées. Pour éviter une perte notable de produits légers à l'évent, il faut que le brut soumis à la D.C.I. soit préalablement débarrassé des fractions bouillant avant 2000C (392 F). Dans cet exemple, pour comparer les résultats avec ceux obtenus dans UT., I'étêtage-du brut a été poussé jusqu'à enlèvement de tout ce qui distille avant 216 C. Ceci représente 33 X en volume du brut. Cette préparation de la charge est réalisée par une opération classique de distillation, limitée à ltenlèVement des fractions légères b-1 - Etêtage Cette opération ne présente pas de caractère particulier et n'est décrite ici que pour qu'on ait une vue sur l'ensemble des opérations nécessaires pour la distillation primaire du brut. L'étêtage peut être réalisé dans tout matériel classique de distillation. Celui décrit est schématisé Planche IV/7, figure 1. Le brut préchauffé est introduit en 7 dans le four F. De là il va dans la tour à distiller T, qui est garnie de plateaux de fractionnement. De la vapeur est introduite en 2, surchauffée dans le four, puis injectée au fond de la tour T. En tête de la tour, en 3, sortent gaz et essence qui passent dans le condenseur C. Une partie du condensat est refluxée en 4, l'autre est envoyée au stockage en 5 à travers le refrigérant Ro En 6, une essence est soutirée qui est envoyée au stockage sans passer dans un strippeur. En 7 est soutiré le brut étêté qui va à la tour de distillation à chauffage intégré. Les principales conditions opératoires de l'étêtage dérivent directement de celles utilisées dans la tour atmosphérique de l'unité type U.T. Les voici Débit Température Pression absolue LmH T/H 0C kg/cm2 Brut préchauffé 1000 230 Vapeurs de tête(hydrocarbures) 828 135 21 Reflux 610 87 Essence de tête 218 Essence de soutirage 112 185 Bruit étêté (fond de tour) 670 255 Vapeur entrant au four 10 215 Vapeur sortant du four 10 240 Dans l'unité type le brut est préchauffé , par échange de chaleur avec les produits sortant des deux tours atmosphériques et sous-vide, à 2442480C. Ici le brut est préchauffé par échange de chaleur avec les produits sortant de la tour d'étêtage et de la tour à chauffage' intégré dont on parlera plus loin. On admet un préchauffage moindre , de 2300C. b-2 Bilan thermique de l'ét8tage Tous les bilans thermiques sont établis sur la base de 150C. M3/h d15 T/h Kw PIM. tOC M.Cal/h Chaleur sortant (a) Vapeurs tête-hydrocarbures 828 0.710 587 12.3 103 135 80.200 (b) Vapeurs tête -eau 10 135 500 (c) Soutirage essence(liquide)112 0,776 87 11.8 185 8.200 (d) Brut étêté (liquide) 670 0,910 610 11.6 255 79.500 (e) Total 168.400 Chaleur entrant (a) Total 168.400 (b) Reflux (liquide) 610 0,712 435 12,3 87 16.900 (c)Vapeur d'eau surchauffée 10 340 1.490 (d)Brut venant du four a-(b+c) 150.000 b-3 Chaleur dans brut préchauffé à 230 C, qui entre au four (liquide) 1000 0,849 849 11,6 100.500 b-4 Chaleur fournie par le four (a) Chaleur fournie au brut 150.000 - 100.500 = 49.500 (b) Chaleur de surchauffe de la vapeur (de 2150C 8 3400C) 600 (c) Total 50.100 (d) Rendement sur pouvoir calorifique inférieur = 82 % (e) Chaleur apportée par combustible : 50.100/0.82 61.500 (f) Consommation de fuel équivalent (densité à 150C = 1,0; Pouvoir calori fique inférieur = 10.000 Cal/kg 61 500 = 6,15 Tonnes/heure. 10.000 C - DISTILLATION A CHAUFFAGE INTEGRE Le brut étêté est envoyé dans la tour à chauffage intégré (T.C.I.) qui est schématisé Planche IV/7, figure 2. En 1 est introduit le brut étêté chaud. Il est introduit dans la zone C de la tour, qui est la zone de chauffage. C'est là, en effet, que sont introduits combustible 2 et comburant 3 par l'intermédiaire d'un appareil S. Vapeurs d'hydrocarbures et fumées montent dans la zone de fractionnement F, d'où sont extraites diverses coupes 4,5,6. Puis elles entrent dans la zone de refroidissement R où les hydrocarbures se condensent, tandis que les fumées se dirigent vers l'évent E et sortent à l'atmosphère. La combustion fournit à la fois de la chaleur et des gaz (fumées) qui abaissent la pression partielle des hydrocarbures, favorisant leur vaporisation. On peut ainsi obtenir un taux élevé de vaporisation quoique la tour fonctionne à la pression ordinaire. c-1 Caractéristiques du brut étêté Elles se déduisent de la Planche III/7, fraction 33-100 % d15 = 0,910 P.M. = 331 X = 11s6 Distillations : on admet que le point final ASTN de la fraction 0-33 % sur brut est égal au point initial ASTM de la fraction 33-100 % = 216 OC. Les corrélations classiques, telles qu'on les trouve en particulier dans le livre de P.Wuithier indiqué plus haut, chapitre ICI.1 Distillation Corrélations empiriques,permettent ae détermener-ladistillation ASTM que voici O O 10 30 50 7Q 90 OC 216 260 308 372 446 552 Elles permettent aussi d'établir les températures de vaporisation (OOC) sous diverses pressions.Les voici Pression ( mm Hg @vaporise 700 500 400 300 200 100 O 274 10 296 274 266 255 238 30 328 308 299 288 271 244 50 373 352 344 332 316 288 70 425 404 396 384 368 343 90 495 475 465 455 438 411 La figure 1 de la Planche V/7 donne les courbes de vaporisation d'équilibre du brut étêté sous diverses pressions Pentes ASTM : 10-30 2,4 OC / % 10-70 3,1 C / % 10-90 3,650C / os ASTM,moyenne volumétrique (VABP) = 388 OC c-2 - Quantité à vaporiser Quantité de brut étêté : 670 m3/h Quantité de résidu non vaporisé : 18 % de brut (comme dans l'unité type,soit 180 m3/h Quantité à vaporiser : 670 - 180= 490 m3/h Il faut ajouter une survaporisation destinée à fournir un reflux entre le dernier soutirage et le fond de tour. Elle est estimée à 12 m3/h. Quantité totale à vaporiser = 490 + 12 = 502 m3/h,soit 75 % du brut étêté. c-3 - Caractéristiques de la fraction vaporisée Pression de flash estimée à 360 mm Hg( pression partielle estimée des hydrocarbures en T.C.I.) Les corrélations du livre de Wuithier donnent la distillation ASTM du vaporisat : % vaporisé 10 30 50 70 90 OC 243 275 324 393 496 ASTM - VABP 346 c Pente 10-90 % 3,16 C /% Me ABP : 322 0C d15 : 0,898 Kw : 11,4 P.M. 258 c-4 - Caractéristiques de la fraction non vaporisée (25 % du brut étêté) Les corrélations du livre de Wuithier donnent la distillation ASTM du résidu % Vaporisé 10 30 50 70 90 OC 455 464 493 530 613 ASTM - VABP 511 C Pente 10-90 0 1,97 C / % Me ABP : 446 C d15 : 0,953 Kw : 11,4 P.M. 390 - - Quantité, à vaporiser m3/h d15 T/H P.M. K. Moles/h 502 0,898 450 258 1750 c-6 - Combustible On admet que le combustible est un gaz de P.d. 30 et pour la commodité des calculs on l'assimile à de l'éthane pur. P.C.I. : 11.330 cal/kg (gaz à 15 C) P.C.S. : 12.380 a ( gaz et eau à 15 C) Rapporl &gamma; = Chaleur spécifique à pression constante/Chaleur spécifique à volume constant = 1.4 Ce gaz étant disponible sous pression peut être introduit directement au bas de T.C.I. où la pression sera de l'ordre de 1.4 atm. abs. c-7 - Comburant Par contre, l'air doit être comprimé avant d'arriver aux brûleurs. Ici on utilise une turbo-soufflante qui fournit aux bruleurs de l'air chaud, légèrement appauvri en oxygène. Cette turbo-soufflante est alimentée avec le meme gaz éthane. c-8 - Soufflante On utilise une turbo-soufflante ne fournissant pas d'énergie,mais seulement de l'air comprimé et chaud(1), Planche VI/7, Figure 1. Des turbo-soufflantes de taille comparable sont utilisées pour la soufflage des hauts-fourneaux(2). c-8. 1) Conditions de marche : Base ç 1.000 m3 d'air à 0.760 Pression aspiration 1 atm. abs. Température aspiration : 15 C Pression refoulement : i.6 atm. abs. Volume aspiré à 15 C 760 = ##### # ### = 1.050 m3 Travail = 7.350.000 = 17.250 calories 426 Kg/h de gaz (rendement 100 %) = 17.250/11.330 = Rendement admis ............ = 10 % (Le mauvais rendement n'a pas d'importance, la chaleur non transformée en énergie de compression se retrouvant dans les gaz chauds). Gaz consommé ............ = 1,52/0,1 = 15,2 kg Chaleur totale apportée au gaz 11.330 x 1592 = 172.000 cal Chaleur prise par travail compression 11.330 z 1,52 = 17.200 cal. Chaleur pour échauffement ........................... 154.800 cal. Poids de l'air ...................... 1.000 x 1,283 = 1.283 kg Poids du gaz ...................... 15,2 kg 1.298,2 kg (1) On peut aussi bien envisager une turbo-soufflante fournissant aussi de l'énergie. (2) Voir - Oil and gas journal - September 13.1965 - Wuithier - page 1472 - Welsch - The gas turbine manual appendix A. Page 229. Enthalpie de l'air comprimé = 154.800 = 119,2 cal/kg 1298,2 Température ................................. 488 C à quoi il faut ajouter l'élévation de température due à la compres sion. (273 + 15) ( 16.000 ) 1.4 -I = 345 k = 72 C Température de l'air comprimé = 488 + 72 = 560 C c-8. 2.Y Equation de combustion Air = 1000 m3 = 44.5 K Moles o2 - 44,5 = 8.9 K Moles C2H4 = 15.2/30 = 0,505 K Moles Moles O / Moles éthane 17,5 Le gaz est brulé dans 5 fois plus d'air que la stoechiométrie. Stoechiométrie = CH6 + 3,5 O + 13,3 N = 2 CO + 3 HȎ + 13,3 N Lei on a 5 fois plus d'air : 26 2 2 2 2 2 2 C2H6 + 17,5 o2 + 66,5 N2 = 2 C02 + 3 H20 + 14 o2 i 66,5 N2 @-8. 3 ) Composition de l'air comprimé %Moles PiMol. Poids %Poids C02 2.3 44 101 3.5 H20 3.5 18 63 2.2 o2 16.4 32 525 18.3 N2 77.8 28 2180 76 100,0 28,69 2869 100,0 c-9 - Combustion dans T.C.I. Dans la tour à chauffage intégré on brûle du gaz éthane dans cet air comprimé chaud. On admet que la combustion est totale, sans excès d'air, parce que l'air comburant arrive à 5600C.L'équation de combustion s'écrit 2 C02 + 3 H20 + 14 o2 + 66.5 N2 + 4 C2H6 = 10 CO + 15 H20 + 66.5 N2 88 54 448 1862 120 440 270 1862 La combustion de 1 kg de gaz - consomme 20.43 kg ( 712 Moles ( d'air comprimé - donne 11.330 Calories(celles apportées par l'air comprimé sont comptées à part) et des fumées 21.43 kg 762 Moles Composition des fumées montant dans T.C.I. Po Moles P.Mol. Poids % Poids C02 Il 44 485 17.3 H20 16.4 18 294 10.5 N2 72.6 28 2030 72.2 100.0 28.09 2809 100.0 c-10 - Pression dans T.C.I. Les fumées partiront directement à l'évent, La pression en tête de tour est estimée à 1.2 atm. abs. Nombre de plateaux = environ 40 Perte de charge par plateau = 5 gr/cm2 Pression zone de flash = 122 + 0,2 = 1,4 atm. abs. c-11 - Température du flash Le brut étêté introduit en T.C.I. est chauffé directement par la flamme. Les fumées abaissent la pression partielle des hydrocarbures. La température du flash, pour vaporiser 75 % du brut toppé, dépend de cette pression partielle. Entre température de flash et pression partielle des hydrocarbures existe la relation indiquée Figure 2 Planche V/7, qui résulte des données de la figure 1 même planche. c-12 - Pression partielle des hydrocarbures Elle est égale à Pression zone Flash x Moles hydrocarbures Moles H.C. + Moles fumées. K. Moles'H.C. / heure .............. 1.750 K. Moles fumées /heure ............. 762 x G avec G = Tonnes de gaz brûlé par heure. Pression zone Flash .................. 1.060 mm Hg Tonnes de gaz brûlé par heure 4 6 7 9 10 K.Moles de fumées /heure 3040 4560 5330 6850 7620 K. Moles HC. /heure =--=---------- 1750 K. Moles totales/heure 4790 6310 7080 8600 9370 Pression partielle ll.C. - ma Hg 386 295 261 217 196 Température de Flash correspon dante (Fig.2 -Planche V/7) OC 413 401 396 388 385 Courbes (1) et (2) de la Flanche VII/7 c-13 - Bilan thermique du flash C'est ce bilan qui permet de savoir où est le point de fonctionnement . On a chaleur entrant + chaleur de combustion = chaleur sortant. (a) Chaleur entrant (1) Brut étêté m3/h d15 T/h KW 670 0,910 610 11,6 arrive liquide à 254 C M. Calories/heure 78.500 (2) Gaz à brûler Tonnes/heure = G arrive à 15 C M.Calories/heure = 0 (3) Air comprimé Tonnes/heure = 20,43 G arrive à 550 C M.Calories/heure = 2.700 G (b) Chaleur de combustion id.Calories/heure = 11.330 G Total entrant + Combustion : M.Calories/heure = 78.500 + 14.030 G (c) Chaleur sortant (1) Fraction non vaporisée m3/h d15 T/h 168 0.953 160 11,4 Température C 385 393 401 M.Calories/heure 34.000 35.000 36.000 (2) Fraction vaporisée m3/h d15 T/h KW 502 o,898 450 11,4 Température 385 393 401 M.Calories/heure 119.100 121.500 124.000 (3) Fumées Tonnes/heure = 21,43 G % Poids H20 10.5 17.3 N2 72.2 Température OC 385 393 401 M.Calories/heure 2100 G 2180 G 2340 G Total chaleur sortant Température C 385 393 401 153.100 + 2100 G 156.500 + 2180 G 160.000 + 2340 G d'où G = 6,25 6,55 6,95 Courbe(3) de la Planche VII/7 Le point (T) représente le point de fonctionnement. En brillant 6,7 tonnes/heure de gaz dans-la tour à chauffage intégré, on vaporise 75 % du brut étêté. La pression partielle des hydrocarbures est 272 mm Hg et la température de Flash 397 C. Cette température est élevée, parce que la réduction est très poussée. Dans l'unité type, on a entre 385 et 400çC dans la zone d'expansion de la tour sous vide où la pression totale est de 120 à 300 mm de Hg. A la sortie du four alimentant la tour sous vide, la température est de 405 à 410 C. c.14 - Capacité de la soufflante Gaz brûlé dans T.C.I. = 6,7 T/h Air comprimé = 6,7 x 20,43 = 137 T/h Gaz brûlé dans la soufflante 15,2/@@ x 137 = 1,6 T/h 1298 Air aspiré ( à 0,760) : 1000 z 137.000 = 106.000 N 1298 c,15 - Diamètre de la tour à chauffage intégré Liquide = fraction non vaporisée d15 = 0,953 KW = 11,4 Température 397 C Densité à 397 C (kg/litre) = 0,700 Vapeur = mélange d'hydrocarbures et de fumées T/h K.Moles/h P.M. 450 1750 Fumées 6,7X21,43 144 5100 594 6850 8,4 Densité à 3970C sous 1060 mm Hg (kg/litre) ,........ = 0,002 Vitesse permise en mètres/seconde *. = 0,85 M3 totaux à t,p = 270.000/h. Aire en m ......................................... = 88 Diamètre en mètres o o ..".'.. o = 10,6 c- 16 - Dispositif de chauffage L'invention ne couvre pas de dispositif spécial pour sa réalisation. Les indications données précédemment, telles qu'emploi d'une turbo-souf.- flante, ou celles données ci-après, ne limitent pas la technologie utilisable. Elles ne sont données que pcur montrer des moyens possibles pour mettre en oeuvre la distillation à chauffage intégré, objet de l'invention. (a) - Les flammes seront très chaudes, au moint 1500 C. Il faut les refroidir rapidement. Ceci exclut un contre-courant suivant figure 2 Planche VI/7. L'effet de strippage serait très grand, mais il y aurait craquage et cokage. Un tel schéma n'est pas utilisable ici sous cette forme simple. (b) - Pour refroidir immédiatement les flammes, les brûleurs peuvent etre immergés dans le produit à chauffer, figure 3 Planche VI/7. La cuve peut être chicanée pour éviter que des fractions vaporisa bles ne sortent avec le résidu. (c) - Combinaison possible de deux dispositifs précédents : figure 4, Planche VI/7. En S, on sort un large résidu dont le strippage est terminé sur 2 plateaux, surmontant le plateau profond. (d) - Quantité de chaleur transmise au brut étêté : ctest la chaleur sor tant dans les hydrocarbures à 397 OC, moins celle entrant dans le brut toppé (voir paragraphe c-13): M. Cal. /Heure Chaleur sortant dans fraction non vaporisée .....,. 35.500 Chaleur sortant dans fraction vaporisée .......... 123.000 Total sortant ................................... 158.500 Entrant avec brut toppé ......................... 78.500 Différence................ 80.000 (e) - Capacité de la cuve - Dans le four atmosphérique U.T. on transfère 770.000 cal/h/m3 de tube.La résistance au flux de chaleur apportée par la paroi des tubes est très faible. - Dans les appareillages à combustion submergée pour évaporation d'eau, il faut 30 à 50 m3 de capacité pour 25 MM Calories/heure, soit 23500o0u050000 = 835.000 à 500.000 calories transférées par heure et par m3. C'est le même ordre de grandeur. - Les fours atmosphériques classiques donnent 540.000 c21/h/m3 de tubes. - En admettant un transfert de 600.00Q cal/h/m3 Capacité nécessaire 80.000 = 133 m3 600 Aire d'un plateau = 86 m2 Niveau 133/88 = 1,5 mètre Il est probable qu'il faudra plus de 1,5 mètre, environ 2 à 3 m. On peut disposer la cuve dans une zone rétrécie,suivant figure 5, Planche VI/7. (f) - Temps de séjour des hydrocarbures liquides dans la cuve T/h dis KW T0C dt m3/h à t 0C Entrant 610 0,910 11s6 254 0,750 815 Sortant 160 0,953 11,4 397 0,705 228 Débit moyen 815 + 228 = 521 m3/h 2 Temps de séjour 133 x 60 = 15,3 minutes 521 Ce temps est du même ordre que celui que l'on a dans le four de U.T. et dans les autres Pipe Stills classiques. En fait, le temps de séjour est bien moindre puisque les hydrowarbures sont vaporisés en majeure partie. (g) - A titre indicatif, les plus gros bradeurs à combustion submergée actuellement construits ont une capacité nominale de 25 millions de calories/heure (P.C.S.), soit 2 T/heure d'éthane. Nombre de brûleurs - 6,7 = 3,3 Il faut 4 brflleurs. 2 D - TETE DE LA TOUR A CHAUFFAGE INTEGRE, Le chauffage intégré pose deux problèmes en tête de colonne. Celui du refroidissement, celui des pertes à évent. (a) - Produits de tête - Gas oil léger Fraction sur brut 33 - 49 = 16 % d15 = 0,819 P.M. = 200 Kw = 11,9 Me ABP = 246 oc Pour soulager la section de refroidissement on utilise un reflux circulant et soutire la moitié du gas oil léger en tête ( vapeur) et l'autre moitié en soutirage (liquide) ; figure 6, Planche VI/7. Le produit de tête est un peu plus léger : d15 0,807 P.Mol. 180 Kw 11,9 Me ÂBP 224 C (b) - Quantité en tête T.C.I. (vapeurs) m3/h d15 T/h P.Mol. K.Moles/h Hydrocarbures ... 80 0,807 64,5 180 358 Fumées ........ 144 5.100 Total .......... 208,5 5.458 (c) - Température sommet de tour Pression absolue tête T.C.I. = 1,2 atm. abs. Pression partielle H.C. 1,2 x 358 = 0,0785 = 60 mm Hg 5,458 Distillation : % T.B.P. ASTM E.F.V. sous mm Hg C C -- C C 760 60 10 220 225 232 G 139 C 30 228 229 234 141 50 236 233 236 143 70 244 238 239 1 90 253 244 241 147 Le point 100 '4 de la courbe de vaporisation d'équilibre (E.F.V.) sous 60 mm est 150 C. C'est la température du sommet. (d) - Perte à ltévent Les vapeurs quittant le plateau supérieur de fractionnement sont refroidies à 400C. Pression après refroidissement = 1,2 atm. abs. = 912 mm Hg Après refroidissement les fumées vont à l'évent placé direc tement au sommet de T.C.I. Pour calculer les pertes à l'évent, il faut établir les équi- libres liquide-vapeur à 40 C sous 912 mm Hg. Constante d'équilibre du gas oil de tête = K = Y x On peut poser K = P 1T avec P = Tension de vapeur # = = Pression totale. an considérant le gas-oil comme un hydrocarbure pur de point ébullition 2360C sous 760 mm Hg P à 40 C = 0,17 mm Hg Tr = 912 mm Hg K = 0,17/912 = 0,0002 Composition du mélange à refroidir K.Moles/h Moles % ( (cm 560 ) 78 = a. (@@ (N2 Fumées (( H2O 835 15.4 = aH2O hydrocarbures 358 6.6 = aR.C. 5.458 100.0 Le refroidissement de 100 Moles de ce mélange donne L Moles de liquide hydrocarbure ( 1 Moles de liquide eau # L + 1 + V = 100 V Moles de gaz non condensé ( Les inertes ne sont solubles ni dans L, ni dans 1 Eau et H.C ne se dissolvent pas. Ti = concentration molaire des inertes dans V YH2O = " " de H2O dans V YH.C. = " " de l'hydrocarbure dans V XH2O = " " de H2O dans 1 = 1,00 X = 1l " de l'hydrocarbure dans L = 1,00 G. = L O = 1 + VYH2O + V YH.C. = V Yi + YH2O + YH.C. = 1,00 VYi = a. = 78 Yi = 78/V VYH2O + 1 = aH2O = 15,4 Pression totale X YH2O = tension vapeur eau à 400C En atmosphères = 1,2 x YH2O = 0,072 YH2O = 0,06 1 = 15,4 0,06 v - YH.C = 0.0002 puisque rien ne se mélange à l'hydrocarbure liquide ( voir plus haut) - à l'équilibre # Y = 1.00 Yi + 0.06 + 0.0002 = 1.00 Y = 0,9400 v =82,98 1 =10,42 (68 a' de l'eau sont condensés). Perte à l'évent : K.Moles/h P.Mol. Eg/h d15 Litres/heure 5.458 x 0,83 = 4,450 contenant hydrocarbure 0,02 % 0.89 180 160 0.807 198 On perd 200 litres/heure d'hydrocarbure à la cheminée. Ils sont dilués dans 100.000 m3/heure de fumées. (e) - Refroidissement Chaleur à évacuer : Les vapeurs passent de 1500C à 400C K.Moles/h P.Mol. M.Cal/heure C02 560 44 540 N2 3705 28 2800 H20 non condensée 267 18 210 HȎ condensée 568 18 6350 Hydrocarbures non condensés 1 180 8 @ condonséc 357 180 8400 18.310 4m on refroidit par contact direct avec eau. 40 C 150 C vapeurs Eau ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 20 C 85 C 40-20 = 20 150 - 85 = 65 20 = 0.3 65 x 0,585 - 38 Quantité d'eau : 280 m3/heure Coefficient de transfert Il dépend du débit de vapeurs par unité de surface d'échange des plateaux Surface d'un plateau.............m2. = 88 Surface d'échange = environ 70 % de la surface totale : 88 x 0,7 = 61,5 m2 Débit de vapeur .......... tonne /heure = 208 Débit des vapeurs en kg/h/ m2 =3380 Diverses données expérimentales permettent d'estimer le coefficient de transfert & Cal/h/m2/0C =2340 Surface d'échange nécessaire en m2 18.310.000 = 2340 x 38 Plateaux nécessaires pour le refroidissement des vapeurs de tête : 205/61,5 = 3,4, soit 4 plateaux (f) - Schéma de la tôte de T.C.I. Un dispositif tel que celui représenté Planche VI/7 . figure 7 peut être envisagé En S sont évacués eau et hydrocarbures qui vont vers un décanteur non représenté, le plateau F est le plateau supérieur de la zone de fractionnement. E - DIMENSIONS PRINCIPALES DES APPAREILS (a) - Tour d'étêtage Valeurs au sommet - voir paragraphe b-1 et b-2 Température 0C = 135 Pression absolue atm. = 2.1 Vapeurs H.C. d 15 = 0,710 Quantités T/h P.M. = 103 P.M. K.Moles/h Hydrocarbures 587 103 5.700 Vapeur 10 18 555 597 99.5 6.255 Densité à t,p (Kg/litre) 0,0057 Liquide H.C. d15 = 0,710 Densité à 135 C= 0,600 Vitesse permise mètre/ seconde = 0,62 m vapeurs à t,p 6.255 x 22,4 x 408/273x 2,1= 100.000 Aire, m2 = ####### = 45 Diamètre ...................... mètres = 7,85 Plateaux ............................. = 15 Ecart entre plateaux ................. = 0,85 mètre Hauteur de la virole ............ mètres = 15 (b) - T.C.I. Nombre de plateaux, hauteur de la tour On nta pas calculé le nombre exact de plateaux mais par comparaison avec U.T., on l'a déterminé avec une approximation suffisante. En T.C.I., les volatilités relatives des hydrocarbures sont les mimes qu'en tour sous-vide U.T., leur pression partielle étant du même ordre. Par contre, elles sont plus élevées qu'en tour atmosphérique U.T. Moins de plateaux sont nécessaires en T.C.I. pour fractionner les gas oils, que dans l'unite type où ils sont sortis principalement de la tour atmosphérique. En U.T., il y a 15 plateaux entre la zone d'expansion et le satirage de gas oil léger. En U.T. la pression partielle des hydrocarbures est 2 atmosphère. En T.C.I. n rt rc est environ 0,41 atm. En U.T. la température moyenne entre zone dwexpansion et soutirage gas oil est de 295 OC. Volatilités relatives de 2 coupes dont les points d'ébullition diffèrent de 28 C (50 F) # Tension K = en T C vapeur Y/X = Volatilité ATM ATM P/# relative Hydrocarbure de Pt ébullition 257 C sous 760 mm Hg 2,0 295 2,0 1,0 Hydrocarbure de Pt X 2,0 C = 1,60 ébullition 2850C sous 76C mm Hg g 295 1,25 0,625 H.C. 257 C 0,41 223 0,41 1,0 &alpha;0,41= 2,92 H.C. 285 C 223 0,205 0,343 Nombre min. de plateaux sous 2,0 atm.(1) = log 2.92 = 2,28 ( " " " sous 0,41 atm. log 1.60 ( (moyenne = Reflux min. sous 2,0 atm.(2) 2,92 ( moyenne = " " " 0,41 atm. - 1,60 - 1,02 (2,0 On peut estimer qu'il faut 2 fois moins de plateaux en T.C.I. qu'en tour atmosphérique U.T. pour le même fractionnement. U.T. T.C.I. Plateaux de fractionne- Tour atm. = 15 15 x 0,5 = 7,5 mettons 10 ment. tour sous vide = 20 20 Plateau de refroidissement des têtes . Plateaux au-dessus cuve de combustion .....................2/36 Total .................................................. Admis 40 plateaux Ecart entre plateaux 0,85 m. Hauteur de la virole environ 40 mètres Diamètre - Voir paragraphe c.15 = 10,6 mètres F - COMPARAISON ECONOMIQUES Elles sont sujettes à variation : année de construction, type de contrat avec les constructeurs, coût des produits et des services, etc.. Les chiffres suivants ne peuvent être qu'approximatifs. a) - T-nvestissements - La comparaison entre U.T. et D.C.I. porte seule ment sur les appareils étudiés ici, à l'exclusion des appareils annexes non étudiés tels qu'équipement pour la redistillation de l'essence de tete et de l'essence lourde, appareils de finition, échangeurs, etc.. U.T. D.C.I. Tours - atmosphérique et strippeurs 15,4 sous vide et strippeurs 18,6 Etêtage 7.3 26.9 Fours # Millions calories/h Atmosph. 125 38,0 soss vide 35 17,8 Topping 61,5 24,2 Production vapeur T/ heure Tours ATM et sous vide 40 10,2 Topping 10 2,6 Turbo soufflante ~~~~~~~ 22 2 total 100 (1) Avec reflux infini (2) Avec nombre infini de plateaux. Les investissements pour D.C.I. sont inférieurs de 17 % à ceux de U.T., la différence étant due principalement à une économie sur les fours. b) Utilités Cosst par m3 de brut U.T. D.C.I. Fuel oil équivalent Four atmosphérique ......... 45.0 Four sous vide 13.2 Four topping ............... 22.0 T.C.I. ..................... Vapeur - Four et tour atmosphérique 3.6 Four et tour sous vide 4.8 Topping 2.1 Gas oil léger Perte évent T.C.I ... 1.3 Electricité .................. 16.0 14.7 Amortissement ; 17.4 14.8 100,0 82.1 Les économies d'utilités en faveur de D.C.I. sont de tordre de 10 % principalement dues à une réduction des consommations de combustible. g) Commentaires L'exemple donné a seulement pour but de montrer que la distillation à chauffage intégré peut s'appliquer à-la plus importante de toutes les opérations de distillation actuellement pratiquées dans le monde, celle de la distillation primaire des pétroles bruts. L'invention revendique spécifiquement cette application là. Hais toutes autres applications à l'industrie du pétrole ou à d'autres industries sont du domaine de l'invention. L'exemple a aussi montré que,comme il était indiqué dans la première partie du texte, la distillation est un tout, et qu'en conséquence, l'application de l'invention doit être étudiée dans chaque cas particulier. Les divers problèmes soulevés ici peuvent être résumés comme suit (a) - Problème de l'enlèvement préalable des produits légers. D'autres solutions que l'étêtage poussé adopté ici sont envisageables. Par exemple on peut se contenter d'un étêtage moins poussé et éviter des pertes importantes de produits légers à l'évent par un lavage des fumées avec un solvant lourd qu'on redistillera ensuite en T.C.I. Le solvant lourd peut être introduit en même temps que l'eau de refroidissement des produits de tête T.C.I., etc... (b) - Problème de l'introduction en T.C.I. de l'air nécessaire à ka l combustion. Ici on a adopté une turbo-soufflante. D'autrea solutions sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. (c) - Problèmes du combustible - Ici on a adopté un gaz de raffinerie. Tous autres combustibles sont envisageables. (d) - Problème du refroidissement de la tête T.C.I. - On peut envisager d'autres solutions que le refroidissement par contact direct avec l'eau sans sortir du cadre de l'invention. (e) - r--ologie de la oembustion~- On peut réaliser la combustion hors de la tour. On peut ajouter soit de l'eau, soit de la vapeur d'eau, etc... pour éviter d'avoir des gaz à température trop élevée, etc... (f) - Aménagement des tours - Le choix des types de plateaux en tours d'ét & age, en T.C.I., est libre; suivant les pertes de charge qu'on peut admettre, on choisira tel ou tel type de plateaux. (g) - De nombreuses modifications peuvent être apportées au schéma indiqué sans sortir du cadre de l'invention. On peut ajouter encore (h) - Corrosion - Pas de différence entre U.T. et D.C.I. (i) Oxygène - On a admis que la combustion se ferait sans excès d'air. Un léger manque d'air n'aura pas d'inconvénients. Il se produira un peu de CO,et un peu de carbone libre qui restera dans le résidu . Un léger excès d'air nwa pas non plus d'inconvénients : en admettant 5 % d'excès d'air, on aurait au maximum 0,4 % d'oxygène fixé sur les pro duits sortant de T.C.I. En fait, il y en aura beaucoup moins et ce seront les produits les plus lourds qui seront partiellement déshy drogénés. (j) - Sécurité - Le Bon fonctionnement des brûleurs est impératif. Ceci dit, le chauffage interne est plus sûr que le chauffage externe dans les fours traditionnels qui sont ouverts à l'air et susceptibles d'en flammer les produits provenant de fuites diverses. - REVENDICATIONS 1. - rrocédé de distillation fractionnée permettant d'obtenir à partir d'un mélange complexe diverses fractions, caractérisé par le fait que le chauffage est intégré à la distillation. Il est obtenu par une combustion dont les produits ( fumées) se mélangent aux vapeurs émises par le liquide I distiller, et la distillation fractionnée est réalisée sur le dit mélange. 2. - Procédé de distillation fractionnée, caractérisé par le fait que le fractiomlement est facilité par la présence de gaz inertes (futées) qui abaissent la pression partielle des vapeurs à fractionner. Ces fumées proviennent précisément du brûlage du combustible fournissant la chaleur nécessaire à l'opGration. 3. - Dispositif selon les revendications 1 et 2, par lequel la combus tion qui fournit à la fois chaleur et gaz inertes est réaliséedirecte ment dans l'appareil distillatoire, ou dans un équipement qui lui est directement relié, les gaz de combustion ne s'échappant pas au dehors. Les gaz de combustion montent, avec les vapeurs à fractionner dans l'appareil distillatoire et participent au fractionnement. ( Une petite partie des gz de combustion peut éventuellement oetre soutirée et donc n'entre pas introduite dans la zone de fractionnement sans sortir du cadre de l'invention. 4. - Dispositif selon la revendication ), selon lequel la combustion est réalisée par l'un des modes suivants - Introduction de comburant ( oxygène, air...) au sein du liquide à chauffer si celui-c est combustible, pour obtenir une combustion dite " nverse. - Introduction de la flamme directement au sein des liquides à chauffer ( combustion submergée). - Emploi de un ou plusieurs brûleurs situés dans ou hors de l'appareil distillatoire. - Emploi de turbo-soufflantes à combustible solide, liquide ou gazeux, ou 3'autres dispositifs pour introduire combustible et comburant dans appareil de distillation a chaulage intégré. - Emploi d'un combustible identique ou diffrent du mélange liquide à distiller. - Addition éventuelle aux gaz de combustion d'eau, ou de vapeur d'eau, ou de gaz inertes. - Emploi comme comburant d'air ou oxygène, d'air enrichi ou appauvri en oxygène. En d'autres termes, les appareillages utilisés pour réaliser la combustion; ceux utilisés pour introduire le combustible , le comburant ou les fumées dans l'appareil distillatoire; le combus tible et le comburant; les ajouts aux fumées tels qu'eau ou gaz peuvent être quelconques sans sortir du cadre de l'invention, pour vu que les fumées entrent dans 13 appareil distillatoire et se mé langent aux vapeurs à fractionner. 5. Dispositif selon les revendications 3 et 4, par lequel la distilla tion est réalisée en discontinu ou en continu. 6. - Dispositif selon les revendications 3,4, et 5, par lequel la dis tillation à chauffage intégré est appliquée à la distillation primai re des pétroles brut préalablement débarrassés de leurs fractions trop légères. La distillation a chauffage intégré permet une simplifica- tion du matériel ( fours, tours, équipements de vide, strippeurs) et une réduction des investissements et des frais opératoires. 7. - Dispositif selon les revendications 3,4 et 5, selon lequel la dis tillation à chauffage intégré est appliquée au fractionnement toutes autres fractions pétrolières. b. - Dispositif selon les revendications 3,4 et 5, selon lequel la distillation à chauffage intégré est appliquée à tout mélange dont le Factioneen peut relever de cette technique.