Brevet FR2274346A1 — publié le 19760109

La présente invention concerne la séparation de gaz, liquides et solides à partir d'un mélange de ces composés dans un lit ébouillanté. L'invention concerne, plus particulièrement, les procédés de contact gaz-liquides dans lesquels une charge liquide et un gaz traversent de bas en haut un lit composé de matériau de contact sous forme de particules solides. En raison des rapidités respectives du liquide et du gaz, le volume du lit se dilate et devient supérieur à son volume statique mettant ainsi les particules en état de mouvement irrégulier. Ces systèmes sont connus sous le nom de lits de contact ébouillantés et sont décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 25.770. Les procédés de ce type impliquent normalement la mise en contact dvun gaz riche en hydrogène avec une charge contenant du carbone et avec des particules solides pour effectuer soit l'hydroconversion de la charge en produits plus valables et/ou pour réaliser l'hydropurification, c'est-à-dire élimination du soufre, de l'azote et autres impuretés. Les charges contenant du carbone qui sont normalement ainsi traitées comprennent essentiellement des hydrocarbures, tels que résidus, gaz-oil, distillats, brut réduit, goudron et extraits, goudron de houille et extrait de goudron de houille, hydrocarbures liquides provenant de la houille et de produits organiques contenant de l'oxygène, tels que la. lignite et huiles, corps gras, y compris les triglycérides d'alcools obtenus à partir de cesdits corps gras.Bien que ces procédés d'hydrogénation puissent s'effectuer en présence de particules solides de contact non catalytiques, il est plus courant d'utiliser un catalyseur. Les conditions opératoires préférentielles de ces procédés sont des températures comprises entre environ 315 et 4820C, des pressions comprises entre environ 35,15 et 351,5 kg/cm, et des vitesses spatiales supérieures à environ 0,25 Vc VC/h Vr (volume de charge par heure par volume du réacteur). L'utilisation du lit de contact ébouillanté décrit ci-dessus s'est révélé très avantageux sur le plan du traitement du pétrole, notamment en ce qui concerne l'amélioration de la production des distillats, la prolongation de la capacité de fonctionnement, l'amélioration du contrôle et de l'uniformité de la température dans la zone réactionnelle, la prolongation de durée de vie du catalyseur, etc. Une des caractéristiques principales de ces systèmes réside dans le fait que, étant donné qu'il y a dilatation du lit et mélange irrégulier turbulent des phases à l'intérieur de la zone réactionnelle, la plupart des particules solides sont retenues dans la zone réactionnelle et relativement peu entrainées dans le liquide. En fait, le lit ébouillanté est généralement décrit comme ayant une interface bien délimitée en dessous de laquelle la concentration en solides est sensiblement supérieure à celle existant au-dessus de l'interface. I1 a été également décrit récemment que de meilleurs résultats, inattendus, pouvaient être obtenus en utilisant des solides de contact en poudre ayant une fourchette étroite de dimensions, comprise entre environ 0,84 et 0,044 mm, par opposition aux solides de contact plus grands du type extrudats. Ces systèmes de catalyseur en poudre soulèvent cependant un problème quant à l'entraînement excessif des solides et à la rétention diminuée de ceux-ci dans la zone réactionnelle. C'est pourquoi, dans ces procédés, il a été nécessaire d'augmenter le volume du réacteur de façon que soit ménagée au-dessus de l'interface du réacteur une partie assez grande servant de zone de dégagement ou de dépôt pour les solides. Bien qu'il ait été possible d'optimiser les rapidités respectives des gaz et liquides, les densités des solides-et du liquide , etc., de façon à minimiser de ce fait le transfert des solides, ces efforts se sont révélés inefficaces pour rendre plus économique ces procédés. Ainsi, l'augmentation de perte en solides observée avec ces systèmes en poudre tend à compenser les avantages obtenus par leur utilisation à un point tel que les solides plus grands du type extrudats sont utilisés de préférence dans les systèmes commercialisés actuellement employés ou en cours de fabrication. On a découvert des dispositifs qui permettent au procédé de dégagement du catalyseur de s'effectuer dans les limites du réacteur, sans interférer de façon importante sur les conditions opératoires utilisées dans le procédé de l'invention. Les dispositifs décrits ci-après peuvent être utilisés dans des procédés où la totalité de l'effluent liquide et gazeux est éliminée ensemble, ou dans lequel l'effluent gazeux est éliminé séparément de l'effluent liquide. En outre, l'utilisation de l'invention réduit la dimension de la zone de dégagement des solides normalement requise dans les systèmes de solides en poudre, diminuant de ce fait le coût total de cesdits systèmes et permettant d'augmenter la capacité de charges sans entraîner un transfert supplémentaire de solides. Dans les systemes ébouillantés de solides en poudre, la majeure partie des solides est retenue dans une-zone où la concentration en solides est peu modifiée entre le haut et le bas de ladite zone. Au-dessus de cette zone, cependant, existe un gradient de concentration dans lequel la concentration en solides décroît lorsque l'effluent s'approche de la sortie. Alors qu'un effluent total, c'est-8-dire le mélange des produits liquide et gazeux, peut être éliminé et soumis à une séparation à l'extérieur du réacteur, il est également possible de séparer les produits liquide et gazeux à l'intérieur du réacteur et de les éliminer séparément. Dans ces deux types de systèmes, cependant, le mélange réactionnel se trouve dans une condition très turbulente au moment de l'élimination du liquide ; ceci est dû premièrement à la vitesse relativement élevée du liquide dans la zone, et deuxièmement à la formation continue et importante de bulles de gaz dans le liquide. C'est la raison pour laquelle il existe réellement un mélange irrégulier de liquide, de gaz et de solide. On a découvert, en outre, que la présence de bulles gazeuses exerce un effet important sur la turbulence du mélange et cette turbulence compense sensiblement la différence de densité entre les solides et le liquide, interférant ainsi sur la quantité de dépôt des solides dans le liquide. En conséquence, il n'est pas simplement suffisant de placer le mélange dans une zone de faible turbulence, car le gaz présent s'en dégagera continuellement et crééra de façon inhérente la turbulence. C'est pourquoi l'on a découvert que le gaz entrainé doit nécessairement être éliminé avant de créer toute condition favorable à la séparation des solides. Après élimination du gaz, cependant, la turbulence du liquide décroit pour parvenir à un degré où la différence de densité entre le liquide et le solide peut affecter la sédimentation. On a découvert que ce degré de turbulence existe lorsque l'élimination du liquide ne contenant pas de solides, de la bouillie diluée ne contenant pas de gaz, stopère à un taux inférieur au taux de sédimentation des solides. Il est généralement très souhaitable de confiner la bouillie diluée dans une zone éloignée de celle contenant le mélange turbulent et d'effectuer la sédimentation à l'intérieur de cette zone. Lorsque la vitesse du liquide est inférieure au taux de sédimentation des solides, le liquide retiré est parfaitement libéré de produit solide et peut être éliminé directement en vue d'un traitement ultérieur en aval. Les solides déposés qui sont sous forme d'une bouillie très concentrée peuvent alors etre réintroduits dans la zone de grande turbulence du réacteur. Conformément au procédé décrit ci-dessus > on a mis au point des appareils permettant d'effectuer les opérations décrites tout en maintenant dans le récipient réactionnel une pression élevée généralement utilisée dans les procédés de lit de contact ébouillanté mentionnés précédemment. Bien que le type exact de l'appareil dépende de la façon dont on élimine l'effluent de la zone réactionnelle, c'est-à-dire soit qu'il s'agisse d'un effluent total ou d'effluents liquide et gazeux, les nécessités premières, dans chaque système, sont identiques. Cependant, il existe un problème supplémentaire pour l'élimination d'un effluent total car le gaz doit être séparé en premier de façon à permettre aux conditions de sédimentation de se réaliser comme décrit ci-dessus et doit ensuite être mélangé à nouveau avec le liquide libéré des solides avant l'élimination Ces appareils étudiés pour réaliser cette méthode permettent de recombiner le gaz et le liquide exempts de solides, produis,ant de ce fait une turbulence insignifiante et ne gênant pas I procédé de sédimentation des solides. L'appareil de l'invention, notamment, provoque un entraînement minimal des solides lorsqu'on l'utilise en combinaison avec des récipients réactionnels sous haute pression, adaptés pour faire réagir une charge liquide avec un gaz riche en hydrogène à des températures et des pressions élevées. Ces récipients sont généralement munis de moyens assurant le retrait des effluents gazeux et liquide et l'appareil de dégagement est généralement fixé à la partie supérieure du réacteur. L'invention est, à présent, illustrée par les figures suivantes dans lesquelles - la figure 1 est une coupe verticale schématique partielle d'un réacteur à lit ébouillanté représentant l'agencement de l'appareil de dégagement, - la figure 2 représente schématiquement l'appareil de dégagement à renvoi unique, - la figure 3 représente schématiquement l'appareil de dégagement à renvois multiples, la figure 4 est un graphique établissant la comparaison entre la rétention de solides obtenue avec l'appareil de la figure 2 et de la figure 3. La figure 1 représente un récipient réactionnel à lit ébouillanté sous pression élevée et la place occupée par l'appareil de dégagement dans ledit récipient, comme décrit ci-après. Les procédés du type utilisant l'invention peuvent être décrits de la façon suivante. Une charge liquide, en 20, est fournie avec un gaz, généralement de lthydrogène, en 31, par une canalisation 22, dans un réacteur 24 qui contient un lit de particules solides 26, le dispositif de dégagement 5 étant fixé par des éléments de support 38. La charge liquide et gazeuse traverse de bas en haut le lit 26 pour le dilater et placer les particules en mouvement irrégulier dans le liquide. Un espace pour le gaz dégagé 32 se trouve à la partie supérieure du réacteur et le reste du volume du réacteur en dessous de l'interface 28 est rempli du mélange turbulent gaz-liquide-solide. Ce mélange est balayé en continu au-delà de la surface de dégagement du gaz 3. Les bulles gazeuses heurtent cette surface et, en raison de la forme oblique de cette dernière, sont dirigées de bas en haut et vers l'extérieur en direction de la paroi du récipient. Le gaz traverse l'interface 28 contenant le mélange gazeux pour parvenir à l'espace supérieur 32. La surface 3 sert essentiellement à dégager le gaz du mélange étant donné qu'elle sert de déflecteur. La bouillie diluée exempte du gaz est balayée dans l'orifice d'admission de la bouille diluée 15 par les forces turbulentes et les vitesses à l'intérieur du réacteur, et pénètre ainsi dans la chambre de sédimentation 6. La bouillie liquide-solide contenue à l'intérieur de la chambre est pratiquement hors de contact avec la zone de grande turbulence. En raison du calme relatif de la bouillie contenue dans la chambre 6, les particules solides se déposent dans cette dernière à un taux qui dépend du rapport des densités entre les solides et le liquide, de la dimension des particules du solide, de la viscosité du liquide, et de la vitesse ascendante du liquide dans la chambre.Les particules solides déposées quittent la chambre sous forme d'une bouillie concentrée selon 1 par la sortie 2 pour entrer à nouveau dans la zone turbulente. L'effluent liquide libéré des solides est éliminé par la sortie 9, selon 11, et l'effluent gazeux collecté est éliminé en 13. Il est important de noter que le principal paramètre affectant la capacité de sédimentation des solides est représenté par la turbulence de la zone environnant les solides et pas nécessairement la vitesse du liquide en soi. Ainsi, en éliminant le gaz du mélange avant la sédimentation des solides, il est possible d'éliminer l'effluent liquide de la chambre de sédimentation à une vitesse égale ou supérieure à la vitesse du liquide à l'intérieur du système réactionnel. La seule nécessité étant que la vitesse ascendante du liquide dans la chambre de sédimentation soit inférieure au taux de sédimentation des solides. La figure 2 représente un mode de réalisation préférentiel d'un dispositif de séparation des solides utilisable dans une zone de réaction à lit ébouillanté. Le dispositif comporte une extrémité supérieure fermée 17, et la bouillie diluée de solide entre en 15 et descend selon 7 dans la chambre 6 où la sédimentation a lieu. Les solides se déplacent de haut en bas à travers la zone 3 et reviennent dans la zone réactionnelle pour en sortir en 2 selon 1. Le gaz entraîné quitte le dispositif en 13 et le liquide sort en 11. La conduite 11 est munie, à son extrémité inférieure, d'ouvertures transversales 9 pour régulariser le débit d'admission de l'effluent liquide. Ces ouvertures peuvent également être des trous et la conduite ll peut avoir une extrémité biseautée. La figure 3 représente un autre mode de réalisation préférentiel d'un dispositif de séparation à renvoi multiple. Dans ce dispositif, la bouillie diluée de solides entre par l'extrémité supérieure 25 du dispositif, cette extrémité étant ouverte. La bouillie de solides passe de haut en bas sur l'écran déflecteur 27 pour parvenir à la zone de sédimentation 15. Les solides se déposent alors dans les zones 14 dont trois sont représentées dans la figure 3 bien qu'une ou deux zones puissent convenir. Il est cependant préférable de prévoir un nombre de zones 14 égal ou supérieur à 3 de façon à permettre à la sédimentation de se faire même si une sortie parvient à se bloquer Les solides retournent ensuite à la zone réactionnelle par les conduites 10 et les sorties 12.L'écran 27 retient le gaz entrainé, lequel passe ensuite hors du dispositif de sédimentation dans la conduite 23. Le liquide exempt de solides est retiré par l'ouverture 19 via la conduite 21. On peut apporter de nombreuses modifications quant à la conception et à l'agencement du dispositif. Les principales nécessités pour la chambre sont que celle-ci soit munie d'une ou de plusieurs entrées pour la bouillie diluée et d'une ou plusieurs sorties pour éliminer la bouillie concentrée résultant de la sédimentation des particules solides. Dans le dispositif représenté, l'élément cylindrique supérieur ou interne est fixé à l'élément conique inférieur ou externe. Il n'est pas nécessaire que les orifices d'admission de la bouillie soit une ouverture annulaire continue, mais ils peuvent consister simplement en ouvertures séparées conduisant à l'intérieur de la chambre de sédimentation ou ouvertures tangentielles. Le dispositif doit avoir également des moyens pour éloigner le gaz dégagé des orifices d'admission de la bouillie diluée. Ceci est aisément réalisé, comme le montre la figure, en orientant la surface de dégagement à une distance éloignée des entrées de la bouillie diluée. Dans le cas où, cependant, les moyens de dégagement sont séparés et éloignés du dispositif, sous forme d'un tout, il est relativement facile d'agencer les surfaces de dégagement de façon à éloigner le gaz dégagé des admissions de la bouillie diluée. Naturellement, il est possible, Si on le désire, d'utiliser des moyens d'entrainement et de dégagement séparés. Bien que le rapport dimensionnel entre le dispositif de dégagement et lue volume et le diamètre du récipient réactionnel ne soit pas critique, on préfère utiliser les dimensions décrites ci-dessous. Des considérations théoriques et pratiques nécessitent que le diamètre du dispositif soit suffisamment inférieur au diamètre du réacteur de façon que l'espace annulaire entre l'extérieur du dispositif de dégagement et la paroi interne du réacteur soit assez grand pour permettre à la bouillie liquide et au mélange gazeux de traverser cet espace sans entraîner des vitesses gaz-liquide extraordinairement élevées. Naturellement, la vitesse du liquide dans l'espace annulaire sera supérieure à celle dans la partie du réacteur située en dessous du dispositif de dégagement puisque le débit d'alimentation et le débit d'expulsion restent constants.On a découvert, notamment, que l'on peut obtenir un meilleur débit d'écoulement dans l'admission de la bouillie diluée lorsque la surface de la partie cylindrique de la chambre de dégagement 5 est égale à au moins la moitié sans excéder toutefois les 3/4, de la surface transversale de la zone réactionnelle 24. Bien que les rapports dimensionnels des différents éléments du dispositif ne soient pas critiques pour le fonctionnement du dispositif ces rapports peuvent être optimisés donnant ainsi un rendement maximal. Tout en respectant le mécanisme de base de l'invention, cette optimisation n'est qu'affaire d'expérience. L'invention est à présent illustrée par les exemples suivants. EXEMPLE 1. Cet exemple illustre la sédimentation des solides obtenue avec le dispositif de la figure 2. Diamètre du réacteur (cm) 15,24 du dispositif de dégagement (cm) 13,33 (diamètre extérieur) " " " " " 12,95 ( " intérieur) Hauteur " " " 17,78 ( " " ) Vitesse du gaz dans le réacteur (cm/s) 3,05 Vitesse du liquide dans le réacteur (cm/s) 0,30 " " " du dispositif de déga gement (cm/s) 0,41 Temps de séjour dans le dispositif de déga gement (s) 24,5 Densité du liquide (g/cm ) à 15 C 0,73 Viscosité du liquide (cPo) 0,25 Particules solides densité absolue (g/cm ) 3,2 dimension (mm) 0,297-0,053 taux de sédimentation des solides en absence de gaz (cm/s) 0,61 EXEMPLE 2; Cet exemple illustre la sédimentation des solides obtenue avec le dispositif représenté à la figure 3. Diamètre du réacteur (cm) 15,24 du dispositif de dégagement (cm) 12,06 (diamètre extérieur) " " " " 11,19 ( " intérieur) Hauteur du " " " 15,24 Vitesse du gaz dans le réacteur (cm/s) 3,05 " du liquide dans le réacteur (cm/s) 0,30 " " " le dispositif de dégagement (cm/s) 0,59 Temps de séjour dans le dispositif de dégagement (s) 25,6 Densité du liquide (gXom3) à 15 C 0,73 Viscosité du liquide (cPo) 0,25 Particules solides densité absolue (g/cm ) 3,2 dimension (mm) 0,297-0,053 taux de sédimentation en absence de gaz (cm/s) 0,61-0,13 Les exemples 1 et 2 décrivent en détail les conditions utilisées pour établir la comparaison représentée par le graphique de la figure 4. La seule différence entre les droites A et B de la figure 4 consiste dans le type de dispositif employé.La droite A représente le dispositif de la figure 2 et la droite B représente le dispositif de la figure 3. La figure 4 est un graphique établissant la comparaison de rétention des solides obtenue par le procédé de l'invention utilisant les deux types de dispositifs décrits précédemment. Les dispositifs de la figure 2 et de la figure 3 furent testés dans un tube en plastique de 15,24 cm de diamètre et de 241,3 cm de haut, utilisant un catalyseur ayant une densité en vrac de 1,12 g/cm et une dimension comprise entre 0,297 et 0,053 mm La zone réactionnelle fut opérée avec de ltheptane, à un débit de 185 1/mn/m avec un débit d'azote de 3,05 cm/s et un lit fixe de catalyseur de 99,06 cm de haut.D'après le graphique de la figure 4, l'on peut constater qu'après 1 heure 1/2, le dispositif de la figure 3 a retenu 99 % du catalyseur et le dispositif de la figure 2 a retenu 85 % du catalyseur. Outre les procédés précédemment décrits, l'invention peut s'appliquer à des systèmes à étapes multiples qui se sont révélés très avantageux pour obtenir un meilleur rendement des produits et faciliter le fonctionnement. Il est courant, par exemple, d'incorporer deux ou plusieurs zones réactionnelles montées en série, l'effluent total passant de zone en zone. On a également utilisé des systèmes à plusieurs étapes dans lesquels les effluents liquide et gazeux sont éliminés séparément de chaque étape, l'effluent liquide seul passant dans l'étape suivante alors que les effluents gazeux provenant de chaque étape sont mélangés et traités comme un produit de réaction. Une troisième modification consiste dans l'élimination d'un effluent total où gaz et liquide provenant de la première étape sont combinés pour introduction de cet effluent dans la seconde étape et dans l'élimination séparée des effluents à l'état vapeur et des effluents gazeux venant de la seconde étape. Cette combinaison particulière procure une élimination du soufre quelque peu supérieure lorsqu'on l'utilise dans l'hydrodesulfuration d'une charge de résidu pétrolier. Généralement, l'utilisation de l'invention fournit des avantages substantiels dans les systèmes catalytiques à plusieurs étapes en raison de l'absence de transfert de catalyseur contaminé dans l'étape suivante. Ainsi, l'on a découvert un dispositif permettant de réduire le transfert des solides dans un système utilisant la méthode de contact de lit ébouillanté. Il faut noter que les résultats donnés dans les exemples précédemment cités s'appliquent à une unité de dimension expérimentale mais peuvent évidemment s'appliquer à des unités industrielles, ladite application étant seulement un problème de calcul à l'échelle désirée. I1 est évident que les exemples donnés illustrent les modes de réalisation préférentiels de l'invention auxquels de nombreuses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art sans pour autant modifier la portée ni l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil à lit ébouillanté à haute pression pour faire réagir une charge hydrocarbonée avec un gaz riche en hydrogène à des températures et des pressions élevées en présence d'un lit composé de particules solides jouant le rôle d'agent de contact, ladite réaction étant du type où les charges liquide et gazeuse traversent le lit de bas en haut à des vitesses telles que le lit acquiert un volume supérieur à son volume statique et que les particules solides sont placées en état de mouvement irrégulier, et dans lequel le mélange de la charge gazeuse et liquide constitue une zone turbulente où la sédimentation des solides est réduite au minimum et dans lequel se trouve une interface liquide-gaz au-dessus de laquelle seule une phase gazeuse existe et dans lequel le récipient réactionnel est muni de moyens permettant de retirer les deux effluents liquides et à l'état vapeur, caractérisé en ce qu'il comprend un système de dégagement fixé à la partie supérieure du récipient pour séparer les produits liquide, solide et gazeux les uns des autres, ledit système comprenant a) une zone verticale de sédimentation pour les solides munie d'une extrémité supérieure et d'une extrémité inférieure fermée, b) une admission pratiquée dans l'extrémité supérieure pour la bouillie de solides diluée, c) une sortie pour le gaz dans ladite extrémité supérieure, d) une sortie pour le liquide exempt de solides dans ladite extrémité supérieure, e) une sortie pour la bouillie de solides concentrée dans l'extrémité inférieure. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système comporte des moyens permettant de dévier en continu la bouillie de solides diluée et en ce que la sortie du gaz et la sortie du liquide exempt de solides traversent cesdits moyens de déflection et ladite extrémité supérieure. 3.Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité inférieure fermée comprend un cône inversé au sommet duquel est ménagée la sortie de la bouillie de solides concentrée. 4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de déflection en continu pour la bouillie de solides diluée s'étendent de haut en bas dans ladite zone de sédimentation jusqu'à un point inférieur au point où commence la sortie du liquide exempt de solides. 5. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite partie inférieure comprend au moins deux cônes inversés au sommet desquels sont ménagées les sorties pour la bouillie de solides concentrée. 6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'admission de la bouillie de solides diluée s'étend de haut en bas dans ladite zone de sédimentation jusqu'à un niveau inférieur à celui où commence la sortie du liquide exempt de solides. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'extrémité inférieure de la sortie du liquide exempt de solides est aménagée de façon à procurer un débit plus régulier du liquide. 8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules solides ont une dimension comprise entre 0,84 et 0,044 mm. 9. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité inférieure est agencée de façon à fournir une surface initiale pour le dégagement du gaz lorsqu'elle est en contact avec le mélange gaz-liquide-solides se déplaçant de bas en haut.