Brevet FR2285449A1 — publié le 19760416

La présente invention concerne un procédé d'hydrogénation de charbon selon lequel on broie le charbon finement, on y mélange des composants huileux, on soumet le mélange à un pré chauffage et on 'hydrogène dans des conditions appropriées de pression, de température et de durée de séjour en présence d'un catalyseur opérant l'hydrogénation, après quoi le produit hydrogéné est soutiré et distillé. L'hydrogénation de charbon pour fabriquer des combustibles liquides est connue depuis longtemps. Elle conduit à un produit intermédiaire liquide que l'on distille et décompose pour obtenir les fractions désirées de gaz, de naphte, de distillat moyen, d'huile lourde et de résidu. Dans la mesure où l'on dispose de pétrole à bas prix, l'hydrogénation du charbon n'est pas économique. l'évolution de la situation générale des matières premières incite les pays qui ne disposent pas de gisements pétrolifères suffisants, mais de charbon, à procéder à l'hydro- génation de ce dernier. Pour assurer l'approvisionnement en vecteurs d'énergie liquides il faut construire des installations d'hydrogénation. Ces installations requièrent des investissements relativement élevés qui cependant, dans l'état de la technique connu jusqu'à présent, doivent rester inactifs aussi longtemps que l'on dispose de pétrole moins coûteux à traiter. les inventeurs se sont donc fixés pour tâche de concevoir, pour l'hydrogénation du charbon, un procédé d'une nature telle que les installations de mise en oeuvre de ce procédé puissent être utilisées dans une plus large mesure. En partant d'un procédé du genre décrit dans le préambule, l'invention propose dans ce but d'hydrogéner en même temps que le charbon une huile lourde et/ou un résidu de traitement du pétrole. L'installation d'hydrogénation conçue selon l'inven- tion est donc caractérisée simplement par le fait qu'elle comporte une amenée supplémentaire d' huile lourde et/ou de résidus, provenant du traitement du pétrole, à un réacteur d'hydrogénation drune installation d'hydrogénation connue en soi comportant un mélangeur dans lequel débouchent une conduite de transport de charbon et une conduite d 'amenée de composants huileux, notamment une conduite de recyclage partant d'une installation de distillation faisant suite au réacteur d'hydrogénation,ce mélangeur étant, par l'intermédiaire d'un système de préchauffage, relié au réacteur d'hydrogénation qui comporte ez outre une amenée d'hydrogène. Une installation d'hydrogénation conçue selon l'invention permet donc d'hydrogéner tant le charbon que des produits pétroliers lourds et rend ainsi possible non seulement l'hydrogénation en commun mais aussi, en tant que cas limites, l'hydrogénation du charbon seul ou celle du pétrole seul. Cela signifie que tant que cela est possible de manière économique l'installation selon l'invention peut être utilisée pratiquement sans modification pour l'hydrogénation connue en soi d'huiles lourdes et/ou de résidus du traitement du pétrole brut pour produire des huiles moyennes et légères, mais que si le pétrole devient rare ou même fait complètement défaut on peut ajouter du charbon ou hydrogéner du charbon seul. l'hydrogénation commune revêt une importance particulière en ce sens que l'on peut, avec une seule et msme installation, faire face à des pénuries de pétrole plus ou moins sévères, sans que l'on ait à procéder à une répartition des opérations, difficile à réaliser pour de nombreuses raisons, entre diverses installations éloignées les unes des autres effectuant les unes 1 hydrogénation de produits pétroliers, les autres adaptées à 1 Ilydrogénation du charbon. Pour effectuer le mélange du charbon et des composants huileux on utilise de préférence des composants du produit hydrogéné. Ces composants contiennent des huiles issues du charbon qui peuvent déjà servir lors du préchauffage du charbon préalablement à son hydrogénation, tandis qu'autrement cette préparation ne peut avoir lieu que lors de l'hydrogénation proprement dite, pendant que se forment les huiles en question. Toutefois, dans le cas de l'hydrogénation commune, on peut mélanger le charbon aux fractions lourdes du pétrole, mais généralement de préférence pour partie seulement ; pour le reste, ces tractions lourdes sont envoyées directement dans le réacteur d'hydrogénation. Dans le cas où le charbon est plus difficile à travailler que les produits pétroliers, parce que sa vitesse de réaction lors de l'hydrogénation est nettement plus lente que celle de ces produits, : autre disposition avantageuse de l'invention prévoit que la dissolution du charbon qui se produit lors du préchauffage et le craquage chimique du charbon par les composants huileux du produit hydrogéné sont poussés, notamment par dzs conditions appropriées de pression, de température et de temps de séjour, jusqu'à ce que le charbon, ou plus précisément le produit résultant de sa préparation, présente lors de l'hydrogénation une vitesse de réaction au moins approchée de celle des produits pétroliers.Une addition d 'hydrogène, éventuellement aussi de catalyseur, effectuée avant le préchauffage, peut déjà suffire à rendre le charbon plus réactif. L'application logique de cette idée maîtresse de l'invention au cas limite de l'hydrogénation du charbon seul aboutit à transposer entièrement au stade du préchauffage la préparation du charbon qui, jusqu'd présent, était une opération effectuée essentiellement dans le réacteur, notamment par dissotition et craquage, de sorte qu'il n'est plus nécessaire de mobiliser pour cette opération l'espace précieux du réacteur. En d'autres termes, la dissolution et le craquage chimique du charbon par les composants huileux lors du préchauffage sont réalisés de manière optimale, en ce qui concerne le travail du réacteur, notamment gracie à des conditions opératoires de pression, de température et de temps de séjour parfaitement appropriées. Ceci peut aussi présenter un avantage dans l'hydrogénation commune, lorsque de ce fait le charbon est doté d'une vitesse de réaction qui excède celle des produits pétroliers, en tout cas au moins lorsque la proportion de ces derniers est relativement faible. La fraction huile qui se prête à l'hydrogénation commune avec du charbon est notamment constituée par le résidu d'une distillation sous vide ou d'un désasphaltage, ce résidu étant plus semblable au charbon que ne l'est lthuile lourde, et/ou par le résidu d'une distillation atmosphérique. Ires huiles et résidus de craquage sont également utilisables préférentiellement. Il faut considérer comme particulièrement approprié à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention un lit catalytique lu type effervescent dans lequel des granules ou autres particules analogues (pellets) du catalyseur sont maintenues constamment en mouvement par le courant de matière à traiter brasséa pendant qu'elle est introduite en permanence par le bas, tandis que le produit hydrogéné est évacué au sommet du réacteur. tes catalyseurs entrant en ligne de compte sont ceux utilisés habituellement, par exemple Co-Mo, Ni-Mo, Ni-W sur un vecteur constitué par le composé de formule A1203-SiO2. Il est également possible et avantageux d'opérer avec un catalyseur perdu à faible prix, ajouté par exemple déjà dans le mélangeur, et de réaliser pour le mélangeage dans le réacteur un lit effervescent de matière plus ou moins active. Ce lit effervescent opère un mélangeage général et intime. Contrairement à ce qui est le cas avec un lit non effervescent et avec la phase spongieuse connue, il se forme dans le lit effervescent de forts mouvements également dans des directions latérales et les particules de charbon conservent, par suite des déviations constantes au contact des particules du lit effervescent, une surface pratiquement dégagée.En même temps, ce mélangeage entraine un équilibre thermique extrêmement bon; étant donné la réaction exothermique il né peut se produire de surchauffes locales qui nuiraient aux conditions dans lesquelles se déroule l'hydrogénation. l'invention prévoit en outre, pour séparer la fraction lourde de résidus d'hydrogénation (fraction non distillable du produit) obtenue par l'hydrogénation de charbon, de mettre en oeuvrs un évaporateur en couche mince connu dans d'autres applilations; cette disposition empêche la formation d'encrassements importants dans la colonne de distillation. Une forme avantageuse de réalisation plus avancée de 11 invention consiste en ce que dans une installation dthydro- génation à deux étages la fraction charbon et la fraction pétrole brut sont hydrogénées ensemble dans les deux étages de l'installation lorsqu'il y a relativement peu de charbon dans les matières premières, alors que s'il y a davantage de charbon l'hydrogenation du pétrole brut s' effectue dans l'un des étages, celle du charbon dans l'autre étage, tandis que lorsque la quantité de charbon est encore plus élevée par rapport à la quantité de pétrole brut, une partie du charbon est hydrogénée dans un étage avec le pétrole brut alors que dans l'autre étage seul du charbon est hydrogéné. Ce mode opératoire fait que même lorsque la fraction charbon à traiter est prépondérante il n'y a toujours qu'une petite fraction de charbon qui est mise directement en contact avec le pétrole brut. De ce fait se trouve réduite la tendance à la précipitation d'asphaltes qui encrassent l'installation, notamment les réacteurs et les colonnes de distillation, ces asphaltes étant plus difficiles à maintenir en solution dans les hydrocarbures' relativement riches en hydrogène qui proviennent du pétrole brut que dans les hydrocarbures aromatiques provenant du charbon. Un autre avantage est que dans l'ensemble on recueile moins de distillat moyen de valeur comparativement inférieure. T,e distillat moyen formé directement à partir de charbon, et dont l'indice de cétane est égal à 5 environ contre 35 à 45 pour celui de distillats moyens de pétroles bruts*, présente de mauvaises caractéristiques de combustion ; il tend surtout à fcrmer de la suie. Le distillat moyen obtenu selon l'invention à partir d'un mélange ayant une proportion de charbon limitée peut, par adjonction de distillats directs ("straight-run") de pétrole, devenir utilisable en tant que fuel léger.Si de ce fait l'e6sence-Diesel qui est l'autre forme d'utilisation habituelle du distillat moyen fait défaut, celle-ci est fournie par échange avec un distillat moyen qui provient de la distillation directe du pétrole et qui autrement est utilisé comme fuel léger. lorsque, selon une autre caractéristique de l'invention, une partie importante du charbon est hydrogénée séparément des produits pétroliers, la qualité de l'ensemble du distillat moyen provenant de ces derniers n' est pas affectée et peut le rester, car le distillat moyen provenant du charbon peut être réutilisé, absolument indépendamment du distillat moyen tiré des produits pétroliers, pour effectuer le prétraitement du charbon.Il y a alors intérêt à faire en sorte que les réactions se déroulent de manière à obtenir de la fraction pétrole brut le plus possible de distillat moyen et moins de naphte, et de la r tion charbon le moins possible de distillat moyen et beaucoup d'huile lourde et de naphte, de façon à assurer dans une large mesure un équilibre allant dans le sens des besoins qui, dais l'ensemble, sont restés inchangés. L'installation à deux étages prévue par l'invention ne constitue pas un inconvénient lorsqu'il s'agit d'hydrogéner exclusivement du pétrole brut. En effet, de telles installations sont d'une exploitation plus facile et plus souple et fournissent une plus grande proportion de naphte, ce qui est désirable. Les produits pétroliers lourds qui, en cas de forte pénurie de pétrole, seraient éventuellement réservés à d'autres utilisations, surtout à des foyers industriels, peuvent être remplacés par l'huile lourde issue de l'hydrogénation du charbon seul ou en mélange avec des huiles. Bes quantités d'huile lourde provenant du charbon sont relativement grandes. Le résidu formé peut être transformé en gaz pour produire de lthydrogène; dans le cas d'une hydrogénation de produits purement huileux, au cours de laquelle ifese forme presque pas de résidus, ceux-ci peuvent aussi être utilisés en tant que fuel lourd, Cette dernière éventualité est avantageuse en ce sens que ce fuel lourd représente un combustible pauvre en soufre et donc favorable à la protection de la nature. Les modifications dans la répartition des produits mentionnés plus haut peuvent généralement être décidées dans le cadre de l'usine, car une installation conçue selon l'invention est normalement adjointe à une raffinerie. Afin d'illustrer plus avant, à l'aide de chiffres, la répartition envisagée entre les deux étages de l'installation, il est indiqué à titre d'exemple que l'on peut opérer une hydrogénation commune dans les deux étages lorsque la proportion de charbon ne dépasse pas environ 4O'o en poids, une hydrogénation séparée du charbon dans un étage et une hydrogénation séparée du pétrole brut dans l'autre étage lorsque la proportion de charbon est comprise entre environ 40 et 70%, tandis que si cette proportion est supérieure à 7049 on effectue une hydrogénation commune d'une partie du charbon et de la totalité du pétrole brut dans un étage et une hydrogénation séparée du restè du charbon dans l'autre étage. Cependant, les limites les plus favorables dans chaque cas dépendent des matières premières, du rapport souhaité entre les quantités de produits finis, ainsi que d'autres facteurs que l'homme de l'art fait régulièrement entrer en ligne de compte. Lorsque l'hydrogénation du charbon est effectuée en même 5 9m='! que ç rod r pP+roliers, il est avantageux d'utiliser dans le second étage un catalyseur qui, par rapport à celui du premier étage, opère un craquage plus sélectif, donc visant à produire surtout du naphte. Un tel catalyseur est certes le plus souvent plus coûteux. Il peut cependant se faire que la durée d'efficacité de ce catalyseur soit relativement zingue dans ce second étage, car celui-ci ne contient jamais baaucoup de résidus nocifs pour le catalyseur.On pourra d'ailleurs utiliser dans le premier étage, le plus souvent, un catalyseur relativement peu coûteux Ceci est vrai notamment lorsque le pétrole brut à hydrogéner en commun avec le charbon est tout d'abord distillé sous vide et décomposé en résidu sous vide et en gas-oil sous vide, après quoi on met en oeuvre dans le premier étage ce résidu sous vide et le charbon et, dans le second étage, le gas-oil sous vide et un produit moyen issu du premier étage. Dans ce cas, un réacteur à lit fixe est particulièrement indiqué pour le second étage. D'autres dispositions pouvant concourir à la mise en oeuvre avantageuse de l'invention apparaitront dans la description d'un exemple d'exécution faite ci-après avec référence au dessin dont la figure unique est le schéma d'une installation à un seul étage destinée à l'hydrogénation commune de charbon et de produits pétroliers lourds. Un appareil E transporteur de charbon conduit à un mélangeur M dont la sortie est reliée à un appareil V de préchauffage dont une conduite d' évacuation forme la conduite d'alimentation d'un réacteur d'hydrogénation H. Une conduite d'amenée d'huile débouche directement dans le réacteur d'hydrogénation H. Cette conduite comporte une dérivation vers le mélangeur x et est munie d'un réchnuffeurysous forme d'un échangeur thermique.Une conduites d'amenée d'hydrogène est elle aussi munie d'un réchauffeurlet débouche dans le réacteur a 'hydrogénation H ; elle comporte une dérivation reliée à la conduite 6 d'arrivée d'huile et une autre dérivation reliée à la conduite reliant le mélangeur M à l'appareil de préchauffage V. Be réacteur d 'hydrogénation H est raccordé à une colonne de distillation D par une conduite passant par un séparateur intermédiaire Z. Cette colonne de distillation comporte des conduites de sortie G pour le gaz, N pour le naphte, Md pour le distillat moyen, S pour l'huile lourde et R pour le résidu. De la conduite de sortie S part une conduite de recyclage allant au mélangeur M et au réacteur d'hydrogénation H la conduite de sortie R est branchée sur cette conduite de recyclage. Les conduites mentionnées ci-dessus peuvent être commandées par des robinets (non représentés au dessin). Lors de l'hydrogénation de charbon seules les conduites bordées d'une ligne en tirets sont en service. Le charbon est mélangé à de l'huile lourde et à un résidu de distillation dans le mélangeur M. La suspension ainsi obtenue est amenée dans 1' appareil de préchauffage V après introduction d'hydrogène. Dans cet appareil et dans les conditions appropriées de température, de pression et de temps de séjour, le charbon se trouve dissous et craqué déjà dans une grande mesure par du produit d'hydrogénation recyclé. Toute la sortie de cet appareil V est finalement introduite dans le réacteur d'hydrogdnation H en même temps que de l'hydrogène préchauffé arrivant directement par la conduite W. Dans ce réacteur, le produit en provenance de l'appareil de prétraitement et l'hydrogène traversent de bas en haut un lit catalytique effervescent représenté par un moucheté, et sont brassés, conne indiqué par la flèche plusieurs fois coudée, par un dispositif prévu dans le réacteur ou hors de celui-ci, dans les conditions habituelles de pression et de température.Ce brassage est effectué de manière telle que la suspension à hydrogéner entre toujours par le bas dans le lit catalytique qu'elle maintient de ce fait en mouvement. Le produit hydrogéné extrait du réacteur est, après séparation intermédiaire, décomposé dans la colonne de distillation D pour fournir les coupe désirées. De l'huile lourde et du résidu sont réutilisés en partie pour mettre le charbon en suspension. Lorsque l'hydrogénation est effectuée sur des huiles lourdes et/ou des résidus de distillation du pétrole brut, ce sont les conduites bordées d'une ligne en pointillé qui sont en service. Après avoir été préchauffé le pétrole à hydrogéner est introduit par la conduite dans le réacteur d'hydrogénation, et ce afin de produire de grandes quantités de produits plus légers, en même temps que l'on introduit dans ce réacteur une partie de l'huile lourde et du résidu recyclés obtenus lors de la distillation. On peut charger cette huile et ce résidu, en totalité ou en partie, de l'hydrogène nécessaire à l'hydrogénation ; l'hydrogène est par ailleurs conduit directement dans le réacteur d'hydrogénation, après préchauffage.Comme décrit à propos de l'hydrogénation du charbon, le produit hydrogéné qui a traversé le lit catalytique en étant brassé est extrait du réacteur et décomposé pour obtenir les coupes désirées, avec là aussi formation dtun résidu. Lorsque du pétrole brut et du charbon sont hydrogénés ensemble, toutes les conduites peuvent être utilisées. Le plus souvent, le courant de pétrole brut est conduit en majeure partie directement dans le réacteur d'hydrogénation, seule une petite quantité étant envoyée dans le mélangeur M. Dans le cas où la vitesse de réaction du charbon n'est pas suffisante d'emblée, la vitesse de réaction du produit provenant de l'appareil de préchauffage V et introduit dans le réacteur d'hydrogénation se trouve, par ce prétraitement, rapprochée de celle des produits pétroliers ou optimisée de manière qu'il soit possible de conduire la réaction d'hydrogénation déterminée désirée. L'hydrogénation et la distillation s'effectuent comme décrit plus haut RE'VENDICAT=ONS 1. Procédé d'hydrogénation de charbon selon lequel on broie le cnarbon finement, on y mélange des composants huileux, on soumet le mélange à un préchauffage et on l1hydro- gène dans des conditions appropriées de pression, de température et de durée de séjour en présence d'un catalyseur opérant l'hydrogénation, après quoi le produit hydrogéné est soutiré et distillé, ce procédé étant remarquable en ce qu'une huile lourde et/ou un résidu provenant du traitement du pétrole brut sont hydrogénés en commun avec le charbon. 2. Procédé selon la revendication 1, remarquable en ce que l'on utilise, pour effectuer ledit mélange de charbon et de composants huileux, au moins en partie les composants huileux tirés du produit hydrogéné. 3. Procédé selon la revendication 2, remarquable en ce que dans le cas où le charbon présente une réactivité difficile la dissolution du charbon qui se produit lors du préchauffage et le craquage chimique du charbon par les composants huileux du produit hydrogéné sont poussés, notamment par des conditions appropriées de pression, de température et de temps de séjour, jusqu'à ce que le charbon présente lors de l'hydrogénation une vitesse de réaction au moins approchée de celle de l'huile lourde et/ou du résidu provenant du traitement du pétrole brut. 4 Procédé selon la revendication 2 ou 3, remarquable en ce que le degré auquel sont poussés la dissolution et le craquage chimique du charbon par les composants huileux lors du préchauffage, notamment par des conditions appropriées de pression, de température et de temps de séjour, est optimisé en fonction du travail du réacteur. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, remarquable en ce que de l'hydrogène est ajouté au charbon avant et/ou pendant le préchauffage. 6. Procédé selon la revendication 5, remarquable en ce qu'un catalyseur d'hydrogénation est ajouté préalablement au préchauffage du charbon. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que pour l'hydrogénation commune arec le charbon on utilise en tant que fraction huileuse le résidu d'une distillation sous-vide, le résidu d'un désasphaltage, des huiles ou des résidus de craquage, séparément ou en mélange. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que l'hydrogénation est effectuée dans un lit catalytique effervescent. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, remarquable en ce que l'hydrogénation est effectuée dans un lit effervescent d'une matière dont l'activité catalytique est nulle ou insuffisante, le catalyseur utilisé étant un catalyseur perdu. tO. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce qu'il fait usage d'un évaporateur en couche mince pour séparer des résidus d'hydrogénation l'huile lourde produite par l'hydrogénation de charbon. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, mis en oeuvre dans une installation dthydrogination à deux étages, remarquable en ce que lorsque la proportion de charbon dans les matières premières est faible le charbon est hydrogéné en commun avec la fraction huile dans les deux étages de Il installation d'hydrogdnation, tandis que lorsque la proportion de charbon est plus grande seule la fraction huile est hydrogénée dans un jetage alors que la fraction charbon seule est hydrogénée dans l'autre étage, et en ce que lorsque la proportion de charbon est encore plus grande une partie du charbon est hydrogénée dans un étage avec la fraction huile tandis que dans 1' autre étage est effectuée l'hydrogénation du reste du charbon wul. 12. Procédé selon la revendication 11, remarquable en ce que les deux fractions sont hydrogénées en commun dans les dsrt taudes lorsque la proportion de charbon ne dépasse pas 40% en poids, tandis que lorsque cette proportion est comprise entre 40 et 70 l'un des étages, la fraction huile dans 1' autre étage, et en ce que si ladite proportion excède 70% une partie du charbon est hydrogénée dans un étage avec fraction balle tandis que lthydrogénation du reste du charbon seul est effectuée dans l'autre étage. 13. Procédé selon la revendication Il ou 12, remerqua- ble en ce qu'un distillat moyen direct ("straight-run"3 de pétrole est mélangé au distillat moyen obtenu par hydrogénation commune de la fraction charbon et de la fraction huile. 14. 2procédé selon la revendication Il ou 12 ou 13, remarquable en ce que le distillat moyen extrait de la seule fraction charbon est réutilisé pour le prétraitement du charbon. 15. Procédé selon la revendication 12 ou 13 ou 14, remarquable en ce que lorsque chacune des deux fractions est hydrcgénée séparément chacune dans un étage de l'installation les réactions sont conduites de manière à extraire de la fraction huile relativement beaucoup de distillat moyen et moins de naphte. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, remarquable en ce que la fraction huile est décomposée par distillation sous vide en résidu sous vide et en gas-oil sous vide, ce résidu étant mis en oeuvre avec le charbon dans l'un des étages de l'installation d'hydrogénation, tandis que dans l'autre étage sont traités ce gas-oil et un produit moyen issu du premier étage. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, remarquable en ce que la fraction huile est décomposée par désasphaltage en résidu et en huile désasphaltée, et en ce que dans l'un des étages de l'installation d'hydrogénation sont traités ce résidu et le charbon tandis que dans l'autre étage sont traités l'huile désasphaltée et un produit moyen issu du premier étage. 18. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins un réacteur d'hyi-ogénation muni d'une amenée d'hydrogène et un mélangeur dans lequel débouchent une conduite d'amenée de charbon et une conduite d'amenée de composants huileux, notamment une conduite de recyclage partant d'une installation de distillation faisant suite au réacteur d'hydrogénation, ce mélangeur étant relié à ce réacteur par l'intermédiaire d'un appareil de préchauffage, l'ensemble de cette installation étant remarquable en ce que le réacteur d'hydrogénation est en outre équipé d'une amenée dt huile lourdbet/ou de résidu de traitement du pétrole brut.