Brevet FR2587629A1 — publié le 19870327

Procédé de séparation de fines particules de catalyseur, d'une charge hydrocarbonée, par filtration au travers de barrières minérales et boucle de filtration. L'invention concerne les techniques de séparation. Elle a trait plus spécifiquement à un procédé de sépa- ration de fines particules de catalyseur, d'une charge hydrocarbonée issue d'une unité de craquage catalytique, ainsi qu'à une boucle de filtration, pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. Par charge hydrocarbonée, on comprend dans la suite du présent mémoire, une charge composée principalement d'hydrocarbures,pouvant contenir outre des atomes de carbone et d'hydrogène, d'autres atomes tels que l'oxygène, le soufre, etc. De telles charges peuvent être constituées notamment, mais non exclusivement, par des pétroles bruts ou des produits obtenus par raffinage du pétrole brut, comme par exemple le résidu dit slurry obtenu après craquage catalytique ainsi qu'il sera décrit ci-après, sans que ce choix puisse constituer une quelconque li- mitation à la présente invention. Le craquage catalytique est un procédé largement connu qui consiste à casser les molécules contenues dans une charge hydrocarbonée sous l'action de la chaleur-, en présence de catalyseurs, typiquement en lit fluidisé. Pour cette raison, le catalyseur est constitué de fines particules, dont la taille moyenne est d'environ 70 microns et dont une partie (les plus petites)se trouve entraînée avec les produits de la réaction, et se concentre dans le résidu qui est soutiré au fond de la colonne de fractionnement. Ce résidu est utilisé comme produit fluxant (base à faible viscosité) dans la fabrication des fiouls indus- triels. La présence de fines particules de catalyseur, de taille généralement comprise entre 0 et 50 microns, et qui ne peuvent être éliminées par des moyens classiques -2 - de filtration, a pour effet de rendre le produit impropre à certains usages (fioul marine par exemple) deprovoquerdes encrassements sévères de chaudières et des fours indus- triels par combinaison avec certains métaux lourds, tels que le vanadium contenus dans d'autres composants du fioul tels que les bases visqueuses du type résidu sous vide. Le phénomène tend à s'aggraver du fait que la capa- cité de craquage catalytique augmente, et avec elle la production de slurry,alors que par ailleurs, la production de bases visqueuses diminue et que la concentration en métaux lourds de ces bases augmente. Séparer les fines de catalyseur du résidu de craquage, devient donc une nécessité et divers procédés de sépara- tion ont ainsi été testés puis proposés aux diverses raffineries. Parmi les divers procédésde l'art antérieur, il convient de citer le procédé de séparation par hydrocyclo- ne et par électrophorèse, dit également procédé GULFTRONIC. Mais ces procédés de par leur principe ne permettent de retirer qu'une partie des fines contenues dans le slurry, et leur coût augmente très rapidement dès que l'on recherche une efficacité élevée. De plus, l'évacua- tion des fines ainsi séparées nécessite un fluide exté- rieur, généralement la charge du craqueur elle-même, ce qui conduit à recycler les fines de catalyseur, au réac-- teur, et ainsi à alimenter le phénomène, sauf à rejeter cet effluent et subir une perte notable de valorisation du brut. La Demanderesse a donc cherché à obtenir un procédé de séparation plus efficace, capable d'éliminer totale- ment les particules dont le diamètre était supérieur à un diamètre minimal dit de coupure, en les concentrant dans le slurry lui-même, ce qui permet de les évacuer hors du système, à moindre coût. Pour cela, le procédé de séparation tel que décrit au préambule est remarquable en ce que l'on filtre la Z587629 charge hydrocarbonée au travers de barrières minérales de porosité adaptée au diamètre minimal des particules à retenir, généralement comprise entre 0,1 et 100 ym. Ces barrières actuellement disponibles sur le marché, se présentent sous la forme d'un tube cylindrique de diamètre intérieur variable, compris généralement entre 1 et 15 mm, d'une matière minérale, telle que de l'alumine ou du carbone, revêtue intérieurement d'une (ou plusieurs) couche(s) d'oxydes métalliques, et sont plus précisément décrites dans la demande de brevet antérieure nO 80 11 442 déposée le 22 Mai 1980 en France au nom du COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE et de la COMPAGNIE FRANCAISE DE RAFFINAGE, dans leur application notamment à la régéné- ration de l'huile usée. De telles barrières sont commercialisées en France par la Société Française d'Eléments Catalytiques (dite SFEC) sous des références commerciales diverses,eu égard aux matières actives entrant dans la composition des couches intérieures ou de la couche support, et avec des caractéristiques physiques précises relatives à leur porosité, leur tenue mécanique, etc... Les diverses utilisations non évidentes qui en sont faites peuvent conduire à des demandes de brevet diverses, ainsi en est-il de la demande suscitée et de la présente demande, compte-tenu du fait que la filtration de milieu aussi hétérogène qu'une charge pétrolière est très dif- ficile, voire souvent irréalisable par des moyens conventionnels. Selon une réalisation de la présente invention, une boucle de filtration comporte en outre des moyens de mesure et de contrôle des débits, éventuellement des moyens de mesure et de contrôle de la vitesse de circu- lation du concentrat à l'intérieur de la boucle, et accessoirement des moyens de mesure de la température du concentrat à l'intérieur de la boucle. Selon une variante de réalisation, cette boucle est remarquable en ce qu'en outre le débit du filtrat -4- est contr8lé par une simple vanne, alors que le débit du concentrat est ajusté à une valeur de consigne déterminée, au moyen d'une vanne-proportionneuse. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnésà titre non limitatif, permettra de mieux comprendre comment l'invention se réalise, et ainsi de mieux en apprécier sa portée. Sur les dessins: La figure 1 représente en coupe un module de filtra- tion; et La figure 2 représente schématiquement le procédé de filtration, appliqué à la séparation des fines de catalyseur du résidu de craquage catalytique (slurry). On a représenté à la figure 1, un module de micro- filtration 1, constitué de plusieurs barrières minérales 2a, 2b,..., montées en parallèles dans une calandre 3. Un cône de raccordement 4 relie la calandre 3 à la tuyau- terie de circulation 5, par un assemblage vis-écrou. Le concentrat circulant dans la boucle, pénètre dans le module par la tuyauterie 5, circule à l'intérieur des barrières 2, puis ressort ensuite par une tuyauterie, non représentée ici comme ne faisant pas à proprement parler partie de l'invention. Le filtrat est la fraction de la charge qui passe au travers des barrières 2, de l'intérieur vers l'extérieur, du fait de la différence de pression qui règne entre ces deux zones qui peut atteindre et même dépasser une dizaine de bars. Pour assurer l'étan- chéité entre,d'une part, la zone de haute pression constituée par la tuyauterie 5 et l'intérieur des bar- rières, et, d'autre part, la zone de basse pression cons- tituée par l'intérieur des barrières, il est nécessaire de prévoir des moyens d'étanchéité, sous la forme de joints toriques ou cylindriques 7, par exemple en viton ou graphite, selon la température du concentrat qui circule dans la boucle. On a représenté à la figure 2 un schéma d'une ins- tallation de craquage catalytique, comportant une boucle de filtration selon la présente invention. 2587629- -5 - La référence 11 symbolise ainsi une colonne de fractionnement d'une unité de craquage catalytique. Une telle colonne et plus généralement l'unité de craquage catalytique ainsi que ses conditions de fonc- tionnement ou de réglage ne seront pas décrits plus avant dans le présent mémoire comme ne faisant pas partie à proprement parler de la présente invention, et l'on pourra se référer plus utilement aux ouvrages de base en la matière, tels que le WUITHIER, Tome I, Chap. II. D'une telle colonne 11 est soutiré un résidu de craquage, qui est d'abord strippé àla vapeur dans une colonne 12, puis envoyé via la pompe de reprise 13 et la conduite d'amenée 14, vers la boucle de filtration 15, objet spécifique de l'invention. Le résidu de soutirage (ou slurry) chargé de fines particules de catalyseur, comme expliqué ci-avant, est introduit par la conduite d'amenée 14, dans la boucle de filtration 15. Cette boucle se compose d'une pompe de circulation 16 d'un assemblage série-parallèle (par exemple quatre modules en série, de 250 barrières chacun, montés comme décrit à la figure précédente) de barrières 17, et d'une tuyauterie de circulation 18. Des conduites d'évacuation du filtrat 19 et du concentrat 20 sont également prévues, qui permettent de recueillir d'une part, une charge hydrocarbonée exempte de fines particules dans un bac de stockage 21, et d'autre part, d'évacuer le concentrat. Enfin, une telle boucle 15 est munie de moyens de mesure et de contrôle, tels qu'un contrôle de débit, référencé FC (pour"flow-control"),de température, référencés TC (pour "temperature-control"), et éventuel- lement un contrôle de vitesse de circulation, référencé SC (pour "speedcontrol"). En outre, il existe des liaisons au niveau des moyens de contrôle, entre la boucle de filtration et l'unité de craquage catalytique; ainsi, le contrôle du débit de filtrat est asservi à la mesure du niveau dans la colonne de strippage 12; de même, une recycle du filtrat vers la colonne de fractionnement - 6 - principale 11 est asservie à la mesure de la différence de pression (DPC) entre les deux zones haute et basse pression, de la boucle de filtration et de la sortie du filtrat. Enfin, le débit de concentrat est asservi au débit de filtrat, de telle sorte que le rapport entre ces deux débits s'établisse à une valeur de consigne, au moyen d'une vanne-proportionneuse (FRRC). Les barrières minérales, destinées à équiper une boucle de filtration, sont caractérisées par leurs rayons de perméamétrie. Ces barrières sont disponibles dans le commerce pour des rayons de perméamétrie comprises, pour une première gamme, entre 2 et 100 nm (et dans ce cas, on parle alors d'ultrafiltration), et pour une seconde gamme, utilisée dans ce type particulier d'application, entre 0,1 9m et 100 pm (et on parle alors de microfiltration). Les impuretés, présentes dans la charge hydrocar- bonée introduite dans la boucle de filtration, sont retenues par lesdites barrières, alors que la charge elle-même, dans laquelle lesdites impuretés se trouvaient (en suspension ou en solution, selon les cas), filtre au travers des couches sensibles, constitutives de la paroi interne desdites barrières. Par conséquent, la concentration en impuretés augmente dans la boucle jusqu'à atteindre un niveau d'équilibre, défini par les débits de soutirage du filtrat et du concentrat, ou même plus précisément par le rapport entre ces deux débits, dit taux de concentration qui est-ajusté au moyen d'une vanne-proportionneuse montée sur la sortie du concentrat. Il circule donc à l'intérieur de cette boucle du concen- trat, que l'on soutire continûment de telle sorte que le flux entrant (charge hydrocarbonée, par exemple slurry) soit égal au flux sortant (filtrat et concentrat). Enfin, un tel système est autonettoyant, le concentrat circulant dans la boucle étant animé d'une vitesse tangentielle importante (provoquée par la pompe de circulation), de telle sorte qu'il nettoie en permanence la surface de la -7- couche sensible intérieure des barrières, et entraine avec lui toutes les impuretés qui n'ont pas pu passer au travers de cette (ou ces) couche(s). Ce nettoyage permanent n'altère pas, ou très peu, les couches sensi- bles, puisque les divers essais conduits par la Demanderes- se, ont montré que les barrières avaient une durée de vie relativement longue, supérieure à une année. En cas de colmatage d'une barrière, ou de l'ensemble des barrières d'un module, par suite d'un incident ou de conditions opératoires inappropriées, il peut alors être nécessaire de procéder à une opération de décolmatage, et ceci peut se faire très facilement soit en exerçant une contrepression de l'extérieur vers l'intérieur des barrières, soit en faisant circuler le concentrai dans la boucle, sans soutirage, avec ou sans promoteurs de turbulence, soit encore en purgeant le circuit, et en y introduisant un fluide adéquat que l'on fait circuler. Ces fluides de décolmatage sont très divers, et dépendent généralement de la charge qui circule normalement dans les barrières: ce sont typiquement des solvants, et l'on citera pour exemple le diluant léger catalytique dans les cas d'uti- lisation d'une charge composée d'un slurry. ESSAI EXPERIMENTAL La Demanderesse a réalisé un essai, dans des condi- tions réelles de fonctionnement d'une telle boucle, sur le pilote de filtration qu'elle détient dans son Centre de Recherches, équipé de barrières adéquates. Ce pilote est équipé d'un module de trois barrières représentant une surface filtrante de 0,066 m. Cet essai s'est poursuivi pendant 100 heures, après stabilisa- tion du taux de concentration à 20, aux conditions opé- ratoires suivantes: température: 330 C pression en sortie de barrières: 4, 5 bars vitesse linéaire: 5m/sec. Les teneurs en fines de catalyseur (d'un diamètre moyen d'environ 20 ym) des charges, filtrat et concentrat, sont -8- respectivement de 1500 ppm,inférieure à 50 ppm et 3%. L'analyse de ces teneurs a eu lieu par filtration PCAS 118. Le rendement en filtrat est de l'ordre de 95%. ESSAI INDUSTRIEL Ces résultats ont été jugés suffisamment encoura- geants pour justifier la construction d'une boucle de démonstration, de caractère modulaire dans un site in- dustriel de façon à permettre une extension et une maintenance aisée exploitée par la Demanderesse. Il est évident de la description qui précède, que de nombreuses modifications ou variantes peuvent être imaginées par l'homme de ltart, sans pour cela sortir du cadre de la présente invention, tel que défini par les revendications ci-annexées. Notamment, un tel procédé s'appliquera avec la même efficacité aux autres types de solides présents dans le slurry (coke, rouille,...) et ne dépendra que de la granulométrie de ceux-ci, eu égard à la porosité des barrières utilisées. Il pourra éga- lement s'appliquer à tout autre type de charge, en vue de séparer la fraction solide (ou une grande partie de celle- ci) de la fraction liquide. -9- REVENDICATIONS 1.- Procédé de séparation de fines particules de catalyseur, d'une charge hydrocarbonée issue d'une unité de craquage catalytique (11), caractérisée en ce que l'on filtre ladite charge au travers de barrières minérales (1) résistantesà la chaleur et d'une porosité adaptée au diamètre minimal des particules à retenir, porosité généralement comprise entre 0,1 et 100 rm. 2.- Procédé de séparation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on envoie ladite charge vers une boucle de filtration (15), comprenant un assemblage série-parallèle de barrières minérales à l'intérieur desquelles on fait circuler un concentrat, en ce que l'on recueille un filtrat issu de ces barrières exempt de particules de diamètre supérieur audit diamètre mini- mal, et en ce que l'on évacue une partie dudit concentrat, riche en ces mêmes particules. 3.- Procédé de séparation selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on modifie le rapport entre le débit du filtrat et celui du concentrat, en fonction des qualités de la charge disponible et du filtrat que l'on désire recueillir, par action sur une vanne-proportionneu- se (FRRC). 4.- Procédé de séparation selon l'une des revendica- tions 2 et 3, caractérisé en ce que l'on modifie la vitesse de circulation du concentrat dans ladite boucle, par action sur une pompe de circulation (16). 5.- Boucle de filtration (15), pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, carac- térisée en ce qu'elle comporte un assemblage série- parallèle de barrières minérales (2), constituées d'un tube cylindrique d'une substance minérale recouverte intérieurement par une (ou des) couche(s) d'oxyde, de granulométrie appropriée, relié par une tuyauterie dis- posée sous la forme d'une boucle, à l'intérieur de laquel- le peut circuler le concentrat, des moyens d'introduction dans ladite boucle de la charge sous la forme d'une - 10 - conduite d'amenée (14) et d'une pompe de charge (13) et des moyens d'évacuation du filtrat (19) et du concentrat (20). 6.- Boucle de filtration (15), selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens den -e su_ -t_ e ontr1ledes débits éventuellement des moyens de mesure et de contrôle de la vitesse de circu- lation du concentrat à l'intérieur de la boucle, et accessoirement des moyens de mesure de la température du concentrat à l'intérieur de la boucle. 7.-- Boucle de filtration (15), selon la revendication 6, caractérisée en ce que le débit du filtrat est contrôlé par une simple vanne, alors que le débit du concentrat est ajusté à une valeur de consigne déterminée, au moyen d'une vanne-proportionneuse.