Brevet FR2419095A1 — publié le 19791005

La présente invention concerne les procédas de fractionnement par distillation (par exemple fractionnement du pétrole brut), permettant de réaliser des économies d'énergie avec un investissement modéré. Actuellement, les systèmes utilisés pour séparer le pétrole brut compren nent deux colonnes : une dite "distillation atmosphérique" et une dite "dis stillation sous vide". Ces colonnes sont de diamètre très important, en raison de leur alimentation unique avec une très importante phase vapeur. D'autre part, le refroidissement des sections de rectification se fait par un petit nombre d'appareils - en tête, la plupart du temps il y a des adroréfrigérants, consommant de l'électricité et envoyant des calories de condensation à l'atmosphère, - dans la section de rectification, on enlève des calories par deux ou trois "reflux circulant", qui perturbent la qualité du fractionnement, chacun "travaillant" en changeur de chaleur sur environ deux plateaux, - la colonne sous vide utilise généralement des éjecteurs à vapeur, ce qui est coûteux en énergie. Le procédé suivant l'invention permet d'éviter ces inconvnients. Dans celui-ei, les colonnes sont de sections et de hauteurs notablement plus fai bles. De plus, il permet de récupérer des calories à la fois à bas et haut niveau therMique0 le proédé objet de l'inrention comporte deux colonnes de pr-distilla- tion B et B' alimentant les deux colonnes principales (atmosphérique A et sous vide A') à plusieurs niveaux0 La colonne B, qui reçoit la totalité du brut sous pression de l'ordre de six bars a une coupe de tête comprenant tous les gaz et les incondensables ainsi qu'une partie de l'essence légère et lourde (son point final se trouvant à la fin de eelle-ci) ; un soutirage situé à mi-hauteur de B et comprenant le reste de l'essence ainsi qu'une partie du kérosbne, alimente la colonne atmosphérique A en un point situé entre la coupe de tête (comprenant la reste de l'essence lourde et légère) et le premier soutirage (kérosène) 2 cette opération amène dans la partie supérieure de A un flux de matière bénéficiant d'un pr-fractionnement (intervalle de distillation pas très large) et libérant d'autant le flux de matière au niveau de l'alimentation principale ;; on vite ainsi qu'une grande partie de la charge (fractions le- gères) ne traverse toute la colonne, ce qui implique un surdimensionnement de la section. la colonne B, fonctionnant à pression relativement élevée et nte- fectuant qu'un fractionnement assez grossier ne représente pas un investissement important0 Cette pression élevée permet d'utiliser un condenseur de tête utilisant une partie du brut (froid) comme fluide de condensation. la colonne A, fonctionnant sous deux bars absolus, a cependant une température de bêta élevée car la coupe de tête est constituée de fractions assez lourdes.Ceci permet de la condenser par du condensat sous-refroidi (notablement) par un échangeur avec une partie du brut froid ; on injecte ce condensat sous-refroidi sur le premier plateau et l'on soutire sous le second plateau ce même condensat, en quantité plus importante, et proche de son point de bulle. Pour ces deux colonnes l'énergie de condensation est récupérée, et non rejetée à l'atmosphère.Cette récupération de calories à bas niveau est rendue intéressante grâce à un dispositif particulier à l'invention qui permet la re'cup4ra- tion de calories à moyen et haut niveau thermique : : contrairement aux reflux circulants habituels, on refroidit les sections de rectification par un train de eondens -eurs (de la vapeur) situés à l'intérieur même des colonnes : voir fig. 1.On bénéficie de la sélectivité (condensation des fractions les plus lourdes) ; de plus, après avoir traversé un condenseur C, la vapeur reste saturante ; l'échange liquide - vapeur est donc meilleur (un reflux circulant renvoyant un liquide très sous-refroidi). Un autre dispositif de l'invention consiste à faire couler le liquide (sur les plateaux) toujours dans la mamie direction, en ramenant le liquide du côté amont par quelques gros tubes t en effet, pour des plateaux classiques, la dispersion le long d'un plateau nuit au fractionnement : en amont du plateau, le liquide, très froid donc lOger, rencontre une vapeur très chaude donc très lourde ; le contact des deux phases joue surtout un reste d'échange thermique, ce qui nuit au fractionnement ; à l'inverse, en aval du plateau le contact entre deux phases déjà en quili- bre est inutile.Grâce au système de l'invention, et grtce à un cloisonnement de la vapeur (transversal à l'écoulement) le contact liquide-vapeur, avec des phases respectivement à leurs points de bulle et d'ébulition, a de plus, un potentiel de transfert de matière à peu près constant0 D'autre part, l'exi- stence des tubes des condenseurs C permet d'augmenter légèrement la vitesse de passage admissible pour la vapeur (piège à gouttelettes).En rdsume, le système permet de sous-dimensionner les colonnes (surtout le nombre des plateaux grave à une meilleure efficacité) ; de plus, il permet de réaliser des condenseurs sans calandre (rôle tenu par la virole elle-mSe), les eloisonne- ments de la vapeur jouant le r81e de support des tubes. Le seul inconvénient est la légère perte de charge ; elle a un effet ngatif, mais très faible sur la sélectivité. En faisant circuler dans les condenseurs C une partie du brut (dventuel- lement celle servant à la condensation des vapeurs de tête), on fait donc une importante économie d'anergie (bas, moyen et haut niveau thermique) pour un investissement modér4. Une autre amélioration de l'invention consiste à stripper le produit sortant au fond de la colonne atmosphdrique non pas avec de la vapeur d'eau mais avec une partie du soutirage de B, après revaporisation dans les condenseurs C ;; une autre propriétJ intdressante du procde étant que c'est la même valeur qui strippe l'un après l'autre tous les soutirages laté raux do A avant autre réinjectée dans la partie supérieure de A (cela diminue encore les flux de matière dans A et cola permet également de n'oins faire chu- ter les temp^ratures au cours du stripping, les fractions relativement lourdes provenant du stripping précédent apportant de la chaleur en se condensant. Une autre propriété originale du procédé est que les colonnes B et 31 sont placées l'une au-dessus de l'autre ; lorsque (pour certains bruts), la distillation sous vide ne marche pas (ou lors des arrêts d'unité pour entretien deokage du four), la distillation atmosphérique bénéficis d'une plus grand nombre de plateaux s en ouvrant la communication entre B et Bt, la colonne B + B' joue le rsle de prédistillation atmosphérique, ce qui permet de baisser le taux de reflux en tste de prddistillation ; le flux à refroidir est donc plus faible et l'on dispose d'un train de condenseurs deux fois plus important; on peut donc diminuer l'approche dans les condenseurs ce qui conduit à une éaonoaie d'énergie supplémentaire. On peut également utiliser les plateaux de At en reliant le fond de colonne de A à la tête de colonne de A'. Enfin, une disposition en triangle des trois colonnes A, A' et (B + B') permet de les relier par un système de barres métalliques "solidifiant" le tout, ce qui permet une réduetion importante des dispositifs de résistance au vent. le colonne sous vide fonctionne de marne avec une colonne de prédistilla- tion avee soutirage 1 le vide nécessaire est assure par une poupe à vide et non par des éjecteurs à vapeur (moins chers mais coûteux en énergie). Tous ces élements, qui permettant une économie d'énergie, tout en ne demandant qu'un investissement modéré, peuvent etre utilisés (séparément ou con jointement) pour toutes les opérations de distillation. -REVENDICATIQNS 1. système perfectionné et adaptable de fractionnement par distillation, caractérisé par le fait qu'il permet de réaliser des économies d'énergie (en récupérant toute la chaleur de condensation notamment en tate de colonne) tout en ne demandant qu'un investissement modére. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen destiné à économiser de l'énergie est d'avoir une pression élevée en tête de colonne, ce qui permet de pouvoir condenser la vapeur avec une partie de la charge (température de tête élevée en raison de la pression). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le moyen d'économiser de l'énergie suivant : augmenter la température de tête en utilisant une coupe de tête lourde, ce qui permet de condenser la vapeur avec une partie de la charge. 4. Dispositif selon la revendication I, caractérisé par le fait d'utiliser les colonnes arretées pour l'entretien d'éléuents autres que ces colonnes (four associé, eto...) ce qui conduit notamment à un meilleur bilan éxergéti- que, et indirectement, à des économies d'énergie ; dans le cas où la coupe de tête est refroidie par aéroréfrigérants, la baisse du taux de reflux conduit à une économie directe. 5. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait de refroidir la section de rectification non pas par sous-refroidissement du liquide (reflux circulant) mais par condensation ce qui, à la fois, permet des économies d'énergie (exergie) et un investissement moindre (n'oins de plateaux, grâce à une meilleure efficacité). 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la condensation se fait N l'intérieur iSne de la colonne avec éventuellement un cloisonnement de la vapeur , on économise i ' investissement (pas de calandre). 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'un moyen de réduire 11 investissement consiste à alimenter la colonne à plusieurs niveaux (ce qui réduit les flux de matière et donc la section), notamment grtce à une prédistillation. 8. Dispositif selon la revendication 2. caractérisé par le fait qu'un moyen de réduire l'investissement consiste à stripper les effluents liquides par une même vapeur (limite les flux). 9. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le liquide s'écoule sur les plateaux toujours dans la même direction ce qui diminue le nombre de plateaux grave à une meilleure efficacité. 10. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le moyen principal de stabilité au vent est de rendre solidaires plusieurs colonnes (ou autres appareils). D'ot un investissement moindre,