Brevet FR2593079A1 — publié le 19870724

Procédé de séparation, par microfiltration, d'au moins une phase solide d'une phase gazeuse, et utilisation dans un procédé de gazéification d'une charge hydrocarbonée L'invention concerne un procédé de séparation d'au moins une phase solide d'une phase gazeuse, par microfiltration. Elle concerne également l'utili- sation de ce procédé de séparation dans un procédé de gazéification d'une charge hydrocarbonée, par mise en contact de ladite charge avec l'oxygène et/ou de l'eau, à des conditions de température et éventuellement en présence de catalyseurs adéquats, de manière a provoquer la réaction de gazéification désirée. Le marché des produits pétroliers oriente les techniques de raffinage vers la valorisation du "fond du baril", c'est-à-dire des fractions lourdes du pétrole, ou les huiles lourdes, c'est-à-dire les pétroles bruts de masse volumique supérieure à 930 kg/m3, soit de degré API inférieur à 200.Ces Eractions présentent un rapport molaire C/H trop important pour pouvoir être traitées par un système de raffinage conventionnel, et plusieurs voies peuvent eAtre envisagées pour leur valorisation : - l'apport d'hydrogène par hydrotraitement cataly tique, mais, dans ce cas, les consommations d'hydrogène sont importantes et les conditions opératoires sévères ; - le rejet du carbone obtenu par cokéfaction ou désasphaltage, mais les résidus carbonés résultants (brais, coke) ont alors une concentration en carbone et contaminants (métaux tels que le nickel, le vanadium) très forte et, en outre, leur point de ramollisement est élevé. Les possibilités d'utilisation de ces résidus carbonés sont multiples. On peut ainsi les utiliser dans la formulation des bitumes, ou simplement les briller t on peut également les valoriser par mise en oeuvre d'un procédé de gazéification ou d'oxydation partielle. Un tel procédé, connu de l'art antérieur, consiste à transformer une charge hydrocarbonée en un gaz contenant, entre autres constituants, du monoxyde de carbone et de l'hydrogène. Pour ce faire, la charge est mise en présence d'oxygène et/ou d'eau. Certains procédés utilisent des catalyseurs pour orienter la réaction, voire abaisser la température à laquelle elle se produit. Ces procédés sont utilisés industriellement pour les résidus pétroliers conventionnels (jusqu'aux asphaltes obtenus par désasphaltage au butane) ainsi que pour les charbons. Cependant, lors de la réaction, la conversion n'est pas complète. Il reste des particules de carbone non converties (ordinairement quelques parties pour cents, par exemple 2 % poids), qui sont entraînées avec les gaz et sont habituellement dénommées "suies" t ces suies contiennent également des cendres et des oxydes de métaux (vanadium, nickel). Afin d'améliorer le rendement des réactions d'oxydation partielle ou de gazéification, il est judicieux de recycler le carbone non converti. Plusieurs procédés ont été mis au point pour récupérer le carbone dans les suies entraînées par les gaz, et sont décrits notamment dans les brevets français NO 2 212 293, 2 411 880, 2 295 910 et le brevet des Etats Unis d'Amérique N4 2 992 906. Selon ces procédés, le gaz chargé de suies est mis d'abord en présence d'eau : les suies contenant le carbone restent dans l'eau, et le gaz débarrassé des solides est ensuite épuré (désulfuration, décarbonatation) en vue de son utilisation comme combustible ou dans des synthèses chimiques. L'eau chargée de suies est mise ensuite en présence d'un produit pétrolier léger, par exemple une essence (ou naphta). Les suies carbonées restent preférentiellement dans le produit pétrolier léger, alors que l'eau retient les matières minérales (cendres). Ordinairement, le produit pétrolier léger, chargé de suies, est mis en présence de la charge pétrolière de l'unité de gazéification. Ce mélange est distillé pour recycler le produit pétrolier léger à l'étape précédente, alors que la charge pétrolière contenant les suies retourne vers les réacteurs de l'unité de gazéification. La mise en oeuvre d'un tel procédé présente un certain nombre d'inconvénients - l'investissement de la section "récupération de carbone" est élevé et représente jusqu'à 40 %, de llinves- tissement total de l'unité de gazéification ou d'oxydation partielle - le coft opératoire est également important. En outre, dans le cas od l'on traie dans l'unité de gazéification des produits pétroliers très lourds la viscosité de ceux-ci est telle que la mise en oeuvre de la troisieme étape de recycle est imyossible- La présente invention vise à pallier ces inconvénients et propose un procédé de séparation plus simple et plus facile à mettre en oeuvre pour récupérer le carbone non converti obtenu par la mise en oeuvre d'un procédé de gazéification tel que intentionné ci-dessus. A cet eet, 12 invention a pour objet un procédé de séparation d'au moins une phase solide d'une phase gazeuse par microfiltration, remarquable en ce que lesdites phases solides et gazeuses sont passées au travers d'une première phase liquide, au sein de laquelle les particules solides sont retenues, alors que la plus grande partie des gaz n'y est pas retenue et est collectée pour un usage ou traitement ultérieur, puis en ce que cette premitre phase liquide, ou une deuxième phase liquide ayant été mise en contact avec la première phase liquide pour en estuaire lesdites particules solides, est microfiltrée au travers de barrières de type minéral, d'un diamètre de coupure adéquat, de façon à en extraire un microfiltrat, sous la forme d'une phase liquide exempte de particules solides d'un diamètre supérieur audit diamètre de coupure., et un concentrat, sous forme d'une phase liquide enrichie en ces mêmes particules. De la sorte, on peut séparer des particules solides du gaz de réaction, au moyen d'une technique de microfiltration, utilisée à ce jour pour séparer des particules solides d'une phase liquide, ainsi que décrit dans la demande de brevet déposée au nom de la Demanderesse, le 25 Septembre 1985, sous le numéro 85 14193. L'invention a également pour objet, dans un procédé de gazéification d'une charge hydrocarbonée, par mise en contact de ladite charge avec de l'oxygène et/ou de l'eau, à des conditions de température et éventuellement en présence de catalyseurs aptes à provoquer la réaction de gazéification désirée, l'utilisation du procédé défini ci-dessus pour la séparation des particules solides des gaz formés par la réaction de gazéification, avec recyclage du concentrat vers la charge hydrocarbonée. L'invention a enfin pour objet, pour la mise en oeuvre de ce procédé, une unité de gazéification d'une charge hydrocarbonée, comprenant un réacteur de gazéification, dans lequel la charge hydrocarbonée est mise en présence d'oxygène et éventuellement d'eau, à des conditions de température et éventuellement en présence des catalyseurs adéquats, une enceinte de lavage d'eau, afin de retenir en phase liquide des particules solides, et une enceinte d'extraction, dans laquelle on mélange l'eau chargée de ces particules solides à une charge hydrocarbonée légère, de façon à en extraire préfé rentiellement les suies, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une boucle de microfiltration, munie de barrières minérales d'un diamètre de coupure adéquat, afin de séparer les suies de la charge hydrocarbonée légère, et des conduites de recyclage du concentrat et du microfiltrat, issus de ladite boucle, respectivement vers la charge hydrocarbonée de l'unité et vers la charge hydrocarbonée légère de l'enceinte d'extraction. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnés ici à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre comment l'invention se poursuit, et de mieux en apprécier sa portée. La figure 1 représente un procédé de séparation de particules solides, d'une phase liquide, par microfiltration. La figure 2 représente schématiquement un procédé de gazéification, selon la présente invention. Dans une boucle de microfiltration 1, telle que représentée à la figure 1, un assemblage en série de modules 2 est réalisé, chaque module comportant en parallèle un certain nombre (par exemple entre 100 et 500) de barrières 3 de type minéral, telles que celles commercialisées par la firme SFEC, sous la référence CARBOSEP , Cet assemblage est disposé dans une boucle formée par une tuyauterie 4 et une pompe de circulation 5, à fort débit (généralement entre 50 et 250 m vh). En outre, une canalisation d'amenée 6, une canalisation de soutirage du concentrat 7 et des canalisations de collecte de l'ultrafiltrat, 8 8b,sont 88asont disposées comme indiqué sur ladite figure. Ainsi, une charge hydrocarbonée (par exemple 100 tonnes) contenant une phase liquide, telle qu'un produit pétrolier léger, et des particules solides, telles que des suies, (avec une proportion comprise entre 1 et 5 %, par exemple 1,5 Ó) est conduite par la canalisation 6 via une pompe de charge 9 jusqu'à la boucle de microfiltration, dans laquelle se concentrent les particules solides dedLamètre supérieur au diamètre de coupure des barrières. Par les conduites de collecte, 8a, 8b, on récupère ainsi la phase liquide (environ 95 tonnes) exempte de ces particules, avec une proportion inférieure à 50 ppm, alors que le concentrat (par exemple 5 tonnes, avec 30 % de suies) est soutiré par la conduite 7. Sous l'effet de la vitesse de circulation, la température du concentrat, à l'intérieur de la boucle de microfiltration, peut atteindre des valeurs comprises entre 100 et 3000C, et ne se stabilise que du fait de l'apport de charge nouvelle, à plus faible température, et des divers soutirages. En regard de la figure 2, une charge hydrocarbonée 100 alimente un réacteur d'oxydation partielle ou de gazéification 11, conjointement avec de l'oxygène 112 et éven tuellenlent de l'eau, à des conditions de température et éventuellement en présence de catalyseurs adéquats, sans qu'il soit besoin de décrire plus avant ce réacteur, comme ne faisant pas partie à proprement dit de l'invention. Le gaz 101, produit lors de la réaction, est par exemple refroidi par passage dans une chaudière de récupération 12 alimentée par de l'eau 111, puis subit un lavage à l'eau 104 dans l'enceinte 13. Les particules solides (typiquement des suies et des cendres) sont alors retenues par la phase aqueuse 105 (eau noire), alors que le gaz 103, débarrassé de ces particules solides, est évacué vers des lieux de stockage pour utilisation ou pour subir des traitements ultérieurs éventuels. L'eau noire 105 comporte des particules solides de différentes tailles. La taille dépend entre autres de la qualité de la pulvérisation (ou atomisation) de la charge carbonée dans le réacteur. Ordinairement, la taille des particules solides, notamment celles des particules de suie pulvérisée contenant le carbone non converti, est comprise entre 0,1 et 10 microns et,plus particulièrement, entre 0,2 et 1 micron. Si les particules les plus grosses (dimensions supérieures à 10 pm) peuvent être éliminées par des procédés physiques classiques tels qu'une décantation "naturelle" (longue) ou une centrifugation, les fines particules, qui sont riches en carbone, doivent être récupérées par un procédé plus sophistiqué. Conformément à la présente inventions on utilise alors un procédé de microfiltration. Cependant, ain de séparer préalablement les particules carbonées de suie des cendres minérales non réutilisables, on réalise un mélange d'un produit pétrolier léger 110 tel qu'une essence (ou naphta) avec l'eau noire dans une enceinte 14. Les suies passent alors dans la phase organique et y forment une suspension.L'ensemble est ensuite décanté dans le décanteur 15, d'où sort une eau clarifiée 106 et une suspension de suies fines dans le naphta 107. L'eau clarifiée l peut être recyclée au laveur 13 comme eau de lavage 104, tant que sa teneur en cendres n 'est pas excessive (pour ce faire, on peut prévoir un appoint eau et une purge d'eau cendrée, avec un débit qui dépend de la teneur moyenne en cendres, des charges traitées).A défaut de recyclage, cette eau clarifiée 106 doit être conduite vers une station d'épuration. Cette suspension 107 alimente la boucle de micro filtration 16, telle que décrite ci-avant en détail à la figure 1, dont les barrières de microfiltration ont été choisies (de type CARBOSEP) de telle sorte que leur porosité (ou leur diamètre de coupure) soit particulière ment bien adaptée à la taille des particules à retenir selon les spécifications techniques que donne le construc teur desdites barrières De cette boucle 16, on extrait un concentrat enrichi en suies, 109, qui est recyclé vers le réacteur 11, et un microfiltrat 108, constitué de l'essence (ou naphta), qui est recyclé, éventuellement avec l'appoint de naphta frais 110, vers l'enceinte 14. Selon un exemple de réalisation effectué par la Demanderesse sur une unite-pilote de son Centre de Recherches, les barrières de microfiltration choisies étaient commercialisées sous la référence M6 et présentaient un diamètre moyen des pores inférieur à 0,1 pra et un pouvoir de coupure supérieur à 2.106 Dalton. Il est évident, pour l'homme de l'Art, que de nombreuses variantes de l'invention sont imaginables et réalisables, notamment sur le choix des barrières ou sur l'existence de recycle dans le schéma de procédé, sans pour cela sortir du cadre de la présente invention, tel que défini par les revendications ci-après annexées. REVENDIIONS 1.- Procédé de séparation d'au moins une phase solide d'une phase gazeuse par microfiltratione caracterisé en ce crue lesdites phases solides et gazeuses sont passées au travers d'une première phase liquide, au sein de laquelle les particules solides sont retenues, alors que la plus grande partie des gaz n'y sont pas retenus et sont donc collectés pour un usage ou un traitement ultérieur puis en ce que cette première phase liquide, ou une dewbiame phase liquide ayant été mise en contact avec la première phase liquide pour en extraire lesdites particules solides, est microfiltrée au travers de barrières de type minéral, d'un diamètre de coupure adéquat, de façon a en extraire un microfiltrat, sous la forme d'une phase liquide exempte de particules solides d'un diamètre supérieur audit diamètre de coupure, et un concentrat, sous forme d'une phase liquide enrichie en ces mêmes particules. 2.- Dans un procédé de gazéification d'une charge llydrocarbonée, par mise en contact de ladite charge avec de l'oxygène et/ou de l'eau, à des conditions de température et éventuellement en présence de catalyseurs aptes à provoquer la réaction de gazéification désirée, l'utilisa- tion du procédé selon la revendication 1 pour la séparation des particules solides des gaz formés par la réaction de gazéification, avec recyclage du concentrat vers la charge hydrocarbonée 3.- Utilisation selon la revendication 2, caractérisée en ce que la première phase liquide est de l'eau et la deuxième phase liquide est une charge hydrocarbones légère, destinée à extraire les suies de l'eau, alors que la première phase liquide chargée en cendres est conduite vers une unité d'épuration. 4.- Unité de gazéification d'une charge hydrocarbonée, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3, comprenant un réacteur de gazéification (11), dans lequel la charge hydrocarbonée est mise en présence d'oxygène et éventuellement d'eau, à des conditions de température et éventuellement en présence des catalyseurs adéquats, et une enceinte de lavage d'eau (13),afin de retenir en phase liquide les particules solides,et une enceinte d'extraction (14), dans laquelle on mélange l'eau charge de ces particules solides à une charge hydrocarbonée légère, de façon à en extraire préférentiellement les suies, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une boucle de microfiltration (16), munie de barrières minérales d'un diamètre de coupure adéquat, afin de séparer les suies de la charge hydrocarbonée légère, et des conduites de recyclage du concentrat (7) et du.microfiltrat (8), issus de ladite boucle, respectivement vers la charge hydrocarbonée de l'unité et vers la charge hydrocarbonée légère de l'enceinte d'extraction (14).