Brevet FR2592890A1 — publié le 19870717

L'invention concerne un procédé amélioré de strippagc (entrainement ou rectification) de solides pulvérulents par des gaz pour des opérations en continu, les solides circulant à contre-courant des gaz ; elle se rapporte également à l'appareillage permettant la mise en oeuvre de ce procédé. Dans les procédés modernes de raffinage et de traitement des hydrocarbures tels que le craquage catalytique ou le cokage, on met en oeuvre des quantités importantes de solides pulvérulents caloporteurs, catalytiques ou inertes suivant les cas. Ces solides circulent d'une façon continue dans la zone de réaction, d'où ils sortent souillés par des dépôts de goudrons ou de coke ; ils sont alors acheminés vers au moins une zone de régénération, où ces dépôts sont brûlés, ce transport s'effectuant sous forme de lit fluidisé ou de lit transporté. Cependant, pour la bonne marche de ces procédés, il importe de ne pas entraincr avec ces solides des gaz ou des hydrocarbures généralement lourds adsorbés provenant de la zone réactionnelle. A cet effet, on utilise dans ces procédés une zone intermédiaire située entre la zone réactionnelle et la zone de régénération ; cette zone, généralement appelée zone de strippage, consiste à faire une circulation continue sensiblement verticale, de haut en bas, des par ticules de solides, et à insuffler à contre-courant un gaz de lavage, la plupart du temps de la vapeur d'eau ou également à titre d'exemples des gaz de combustion, des gaz inertes, des hydrocarbures légers, destiné à déplacer et à se substituer aux gaz interstitiels riches en hydrocarbures qui ont été entrainés avec les solides hors de la zone réactionnelle ; on élimine ainsi également les hydrocarbures lourds mais encore volatils qui ont été adsorbés à la surface de ces solides. Pour des raison d'encombrement et d'équilibrage de pression des unités, il importe que cette zone de strippage soit la moins étendue possible. Il est donc primordial d'établir le meilleur contact entre les particules de solides et le gaz de lavage pour atteindre l'efficacité maximale de cette opération. Cette opération est d'autant plus délicate que, dans les unités industrielles, les temps de contact entre particules de solides et gaz sont très réduits, puisque la vitesse de descente des particules de solides est de l'ordre de 15 cm/s, alors que la vitesse superficielle du gaz de lavage est couramment de l'ordre de 30 cm/s. Par ailleurs, cette opération est rendue encore plus difficile de nos jours car la tendance actuelle est d'utiliser dans les unités modernes de craquage, de cokage ou de pyrolyse en lit fluidisé, un seul train de cyclones à haute efficacité, alors que la technologie antérieure employait la plupart du temps un étage de cyclones supplémentaires. Ces cyclones ont pour but de permettre la séparation des particules de solides, qui doivent rester dans l'unité, des gaz produits à différents niveaux dans l'unité et qui s'en échappent. Or la réduction du nombre d'étages de cyclones ne permet pas, actuellement, dans le cas du F.C.C. par exemple, de garder au "riser" (tube allongé vertical qui sert de réacteur) de l'unité la même proportion de fines particules de catalyseurs qu'auparavant. C'est ainsi que la fraction de particules de catalyseur de dimension inférieure à 40 m soit 40.10 m (généralement nommé "fines") ne représente plus qu'une fraction pondérale de 5 % alors que cette valeur atteignait 20 % auparavant. Cette diminution du pourcentage de "fines" dans la distribution granulométrique du catalyseur est préjudiciable à la bonne marche de la zone de strippage ; en effet cette diminution entraine la formation importante de bulles de gaz de lavage au sein de la suspension. Ces bulles ont tendance à remonter telles quelles dans le lit, sans entrer en contact avec les particules de solides, provoquant un phénomène similaire à celui des chemins préférentiels, et diminuant l'efficacité du strippage. Les strippeurs décrits auparavant étaient généralement équipés de chicanes (ou "baffles") inclinées et/ou fixes, dans le but d'améliorer le contact des solides et des gaz de lavage par remélange, à chaque niveau, de ces deux courants opposés. L'ouvrage de P..B. Venuto et E. Thomas Habib Jr, intitulé "Fluid catalytic cracking with zeolite catalysts" (Edité en 1979 par M. Dekker) indique, p. 13 et 15 un certain nombre de références dans ce domaine. Parmi les brevets récents, on peut citer les brevets US no 4.364.905, 4.414.100 et 4.500.423 qui décrivent des ensembles nouveaux de cyclones et de chicanes (baffles) dans les zones de strippage. C. Clauss et coll., dans "Fluidization Technology" vol. II (D.L. KEARNS, Editeur) proposent (p.88 à 93) de remplir la zone de strippage d'un empilement aléatoire d'anneaux Raschig de manière à diminuer la formation de bulles de gaz de lavage. Par ailleurs, le brevet US 3.293.171 préconise l'utilisation de contacteurs flottants pour améliorer le contact entre gaz et solides, essentiellement pour des opérations de réactions chimiques en lit fluidisé. L'objet de la présente invention est de décrire une méthode nouvelle de strippage en continu, de particules solides à contre-courant d'au moins un gaz, applicable aux particules catalytiques en provenance d'un réacteur de craquage d'une charge hydrocarbonée en lit fluidisé (F.C.C.) ou en lit entrainé, les dites particules ayant des dimensions comprises entre 5 et 250 P (5x10-6 m et 250xl06 m). Le dit procédé et l'appareillage correspondant conviendraient notamment pour le strippage de particules catalytiques en provenance d'un "riser" de type classique ascendant ou de type descendant comme décrit dans le brevet européen nO 152335 (réacteur tubulaire) de craquage catalytique. D'une façon générale, l'invention concerne un procédé de craquage catalytique d'une charge hydrocarbonée dans lequel (a) la dite charge est craquée en lit fluide ou lit entrainé en présence de particules catalytiques dont les dimensions sont comprises entre 5 et 250x10-6 m (b) la charge traitée dans la zone fluidisée, est séparée dans un système cyclonique ou balistique du flux de particules catalytiques (c) les particules catalytiques usées, et séparées de la majeure partie de la charge traitée, circulent de haut en bas dans une zone de strippage, à contre-courant d'au moins un gaz de lavage et forment avec ce gaz de lavage une suspens ion gaz de lavage-solides pulvérulents, de laquelle on élimine au moyen du gaz de lavage, les particules gazeuses ou les hydrocarbures adsorbés sur les dites particules catalytiques et (d) les particules catalytiques sont envoyées dans au moins une zone de régénération, et est caractérisée en ce que, pour améliorer le contact gaz-solides dans la dite suspension à l'aide du gaz qui circule à contre-courant des particules catalytiques, on immerge dans la dite suspension des objets libres de se mouvoir dans la suspension, la taille de chaque objet étant au moins égale à 25 fois les dimensions moyennes des particules pulvérulentes de catalyseur, la densité de ces objets étant comprise entre 0,5 et 1,2 fois la densité du milieu gaz-particules catalytiques dans lequel ils sont immergés, le volume total des objets immergés représentant 5 à 60 % du volume de la dite zone de strippage qui leur est accessible. L'objet de la présente invention est l'utilisation et l'appareillage correspondant pour une méthode de strippage de particules catalytiques par au moins un gaz, à contre-courant, en suspension, en présence de chicanes flottantes ou objets libres de se mouvoir dans la zone de strippage, en vue d'éliminer par éclatement les bulles de gaz de lavage et d'améliorer ainsi le contact gaz-solides. Selon l'invention, les dites chicanes flottantes sont choisies dans le groupe constitué par les différentes formes possibles pour ces objets flottants (représentées sur la figure 1) qui sont, à titre d'exemple, les sphères (1), les ovoïdes (2), les cyclindres (3) les cônes (4a) et les troncs de cônes (4b), les pyramides (5a, 5b), les cubes (6), les parallélépipèdes (7), les solides ayant une forme de type gyroscopique (8) ayant un ballast à l'intérieur, les anneaux toriques (9) ou cylindriques (10), les objets de type clef (11) et de type selles de Berl (12), les chaînes (13) et les bouteilles (14), etc... Ces objets peuvent être pleins ou creux, réalisés en n'importe quel matériaux inertes vis à vis des ga de réaction, du gaz de lavage et des particules de catalyseur ; ils doivent être susceptibles de résister aux conditions de température, de pression et d'ambiance corrosive et érosive dans lesquels ils peuvent etre placés. Ils sont indifféremment fabriqués par formage, extrusion, soudage ou usinage, et pourraient également être des particules, comme par exemple des particules de charbon ou de céramique. Des exemples de matériaux préférés sont les métaux inoxydables, les matériaux polymères, les matériaux composites ou les céramiques. Pour flotter et être libres de se mouvoir dans l'écoulement continu à contre-courant gaz-solides, ces objets flottants doivent avoir une densité comprise entre 0,5 et 1,2 fois, et préférentiellement entre 0,7 et 1,1 fois celle du milieu gaz-solides (particules catalytiques) dans lequel ils sont immergés. Les dimensions de ces objets sont variables et dépendent largement de la quantité de ces objets qui a été introduite. Toutefois. ils ont une taille moyenne au moins 25 fois plus grande que les dimensions moyennes des particules de catalyseur pulvérulent. De préférence, leur taille est aussi au moins 5 fois plus grande que la plus grande des particules de solides dans le cas où de telles particules sont utilisées dans le procédé de craquage. Par "taille" on entend la dimension moyenne de ces objets, par exemple le diamètre d'une sphère, la section d'un ovoïde, la dimension la plus grande d'une pyramide, d'un cylindre, d'un tronc de cône, l'arête d'un cube, la longueur d'un parallélépipède, la dimension la plus grande du solide gyroscopique ou des anneaux, de la clef ou de la selle de type Berl et de la bouteille. Par contre, pour les objets en forme de chaine, on désigne par "taille" la largeur de la chaîne et non pas sa longueur. La quantité de ces objets flottants peut varier de manière à ce que leur fraction volumique représente 5 à 60 % du volume du strippeur qui leur est accessible, et préférentiellement 10 à 30 %. il y a un optimum à déterminer en fonction des caractéristiques des solides pulvérulents utilisés dans le procédé entre le nombre et la taille des objets flottants qui peuvent être introduits dans ce milieu. Dans l'écoulement à contre-courant en continu des solides pulvérulents et du gaz de lavage, ces objets flottants, si leurs caractéristiques ont été bien choisies, sont libres d'aller et venir, d'être entrainés vers le haut dans le sillage des bulles montantes de gaz dc lavage, ou inversement d'être entrainés par les courants descendants dc solides. Les trois principaux modes d'action de ces objets flottants quand ils rencontrent une bulle sont 10) - de pouvoir pénétrer à l'intérieur de la bulle, la faire éclater en plusieurs morceaux, et de cette manière entrainer une diminution de la taille des bulles. 20) - de pouvoir provoquer une pluie dc solides pulvérulents à l'intérieur de la bulle à travers le toit de la bulle. Cela peut conduire soit à l'éclatement de la bulle en plusieurs morccaux, soit à sa disparition complète 30) - de pouvoir simplement rouler à la surface dc la bulle ascendante sans entrer à l'intérieur, et être aspirés ensuite dans le sillage de la bulle ascendante. Les deux premiers modes d'action conduisent à une diminution de la taille des bulles et donc à une augmentation du contact moyen entre les solides pulvérulents du procédé et le gaz dc lavage utilisé, généralement de la vapeur d'eau. Cette réduction de la taille des bulles a aussi pour effet et avantage indirect de diminuer les entrainements au sommet du strippeur, là où les bulles dc gaz de lavage viennent exploser en projetant vers le haut les solides pulvérulents qu'elles entrainent.Plus la taille dc ces bulles est faible, moins les effets associés de projection sont importants. La mise en oeuvre de ces objets flottants dans un écoulement continu à contrc-courant des solides pulvérulents (particules catalytiques) du procédé et d'un gaz de lavage nécessite de préférence des dispositifs spécifiques qui font également l'objet de la présente invention. Il faut en effet empêcher que ces objets ne soient entrainés ensuite dans la zone de régénération avec le courant de solides dans lequel ils flottaient librement. Dans le mode préféré de réalisation de l'invention, les solides pulvérulents du procédé sont évacués (voir figure 2), en continu, vers une zone de régénération par au moins une crépine de soutirage (6,7) placée à la base du strippeur 5 qui sert en même temps de grille d'arrêt pour les corps flottants immergés dans le strippeur. Le dispositif de soutirage est donc ici au moins une conduite 8 dont l'embout supérieur, disposé à l'intérieur de la zone de strippage, a la forme d'un tronc de cône à l'envers, c'est à dire que la grande base de ce tronc de cône regarde la partie supérieure de la zone de strippage. Cette crépine en forme de tronc de cône prolonge le conduit 8 d'évacuation des solides pulvérulents et est donc disposée verticalement dans le strippeur.Cette crépine (ou ces crépines, s'il y en a plusieurs) en forme de cheminée est surmontée d'un chapeau conique non perforé (surface continue) déposé sur la dite grande base du tronc de cône, et d'une partie latérale discontinue (ajourée) tronconique 7, comme représenté sur la figure ci-après. Les trous de passages ne seront pas supérieurs à la plus petite dimension des objets flottants, tout en restant supérieurs à la plus grosse des particules de solides pulvérulents du procédé. La section totale ouverte pour le soutirage des solides pulvérulents sera au moins égale à la section transversale du strippeur, de manière à ce qu'il n'y ait pas d'accélération du flux de solides à ce niveau, et que les corps flottants ne restent pas plaqués contre la grille d'évacuation. De préférence, la crépine se trouve située dans le tiers inférieur-du strippeur, et si d est le diamètre moyen de la crépine et D celui du strippeur, le rapport d/D doit être inférieur ou égal à 2, environ. En outre, l'angle (figure 2A) que font les parois latérales (7) entre elles est généralement compris entre 20 et 1200 et de préférence entre 30 et 900. La maille des trous de la crépine doit laisser passer des particules de dimension inférieure à 250 (250xlO m) environ. La figure (2) représente en outre, le réacteur de craquage (1), une ligne d'évent 2, le conduit 3 d'arrivée dans la zone de strippage des particules catalytiques en provenance du réacteur, le distributeur 9 du gaz de lavage et les objets solides 4 immergés dans le lit fluide 10. La figure 3 illustre le procédé et l'appareillage selon l'invention appliqué à une réaction de craquage effectué dans un réacteur de forme tubulaire ("riser"). Ici, le strippeur annulaire 5 (zone de strippage annulaire) entoure le corps du riser 1 (les axes longitudinaux du stripper et du riser sont donc sensiblement confondus). L'effluent gazeux est soutiré par le système cyclonique 14 et la conduite 11 ; un dispositif 13 en forme de "T", ou en forme de tout dispositif équivalent, renvoie le flux ascendant de particules catalytiques en haut du riser 1 vers la zone de strippage 5. Les objets flottants 4 sont immergés dans le lit fluidisé 10 où s'effectue le lavage des particules catalytiques à contre-courant d'un gaz injecté schématiquement en 12, tandis que au moins une crépine 7 sert à l'envoi, par au moins une conduite 8, du catalyseur dans au moins une zone de régénération. Il importe que la forme générale de la partie ajourée de la crépine (screened pipe) aille en s'évasant vers le haut comme représenté sur la figure. On a trouvé en effet que cette disposition favorise le dégagement vers le bas des objets flottants, après qu'ils aient été arrêtés par la paroi latérale ajourée de la crépine. Cette crépine est pour la présente invention bien préférable aux dispositifs habituels d'évacuation par puits de soutirage ("overflow well"). L'invention et ses avantages seront mieux compris à l'aide de l'exemple non limitatif suivant Exemple Le strippeur d'une unité industrielle de FCC (fluid catalytic 2 cracking) a une section transversale de 4,9 m pour une hauteur utile de ll n. Le catalyseur de craquage utilisé possède la répartition granulométrique suivante lorsqu'il a atteint son état dit d'équilibre après de nombreux cycles de réaction et de régénération. dimension des particules de catalyseur, en mètre % poids 440xl06 5 40 - 60xlO 6 45 60 - 80xl06 27 80 -l00xl06 15 100 -150xlO 6 7 150 -250xlO 1 Sa densité au minimum de fluidisation est de 0,8, pour une masse 3 volumique de particules de 1 416 kg/m3 et une densité structurale de 3 2 456 kg/m3. La vitesse superficielle de descente de ces solides catalytiques est de 0,15 m/s. Ils sont lavés en continu à contre-courant par de la vapeur d'eau dont la vitesse superficielle ascensionnelle aux conditions de température et de pression et de 0,30 m/s. Dans ces conditions de fluidisation, on a mesuré une densité du milieu 3 gaz-solides dans le strippeur d'environ 625 kg/m Le strippeur industriel non conforme à l'invention est doté de chicanes successives, fixes, disposées en quinconce, suivant l'état de l'art antérieur. Dans cette configuration originelle, on observe que le strippeur élimine des hydrocarbures entrainés avec les solides catalytiques et les hydrocarbures adsorbés sur ces solides, avec une efficacité totale de 68 %. Dans un exemple illustrant l'invention, les chicanes fixes ont été enlevées, et remplacées par des objets flottants métalliques, cylindriques et creux. Leur diamètre est de 6 cm pour une longueur de 8 cm. On les a garnis intérieurement de lest pour amener leur densité 3 à 590 kg/m3. Ils ont été chargés dans le strippeur en un nombre tel qu'ils occupent 20 % du volume du strippeur qui leur est accessible. Par ailleurs, le conduit d'évacuation du strippeur a été doté de la crépine qui a été décrite précédemment dans le texte. Malgré la réduction du volume utile du strippeur due à la présence de ces objets flottants et de la crépine d'évacuation, on a observé que le strippeur ainsi modifié permet d'éliminer les hydrocarbures avec une efficacité totale mesurée de 75 %. En outre, ce système se traduit par une quantité moindre de coke à brûler au régénérateur, donc une température moins élevée, moins d'oxygène consommé, une plus grande souplesse vis à vis de l'équilibre thermique et de la circulation de catalyseur. En outre, une meilleure utilisation de l'oxygène disponible par la soufflante d'air peut permettre d'augmenter la capacité de l'unité ou de traiter une charge plus lourde. Le gain d'efficacité au niveau de l'opération de strippage peut être utilisé en tant que tel pour améliorer les performances de l'unité, ou pour réduire sensiblement la hauteur du strippeur lors d'une modification ultérieure de l'unité. Cette modification peut permettre, soit l'augmentation de la hauteur des tubes d'entrainement de la charge traitée (standpipes) et donc l'amélioration de l'équilibrage de pressions de l'unité, soit une réduction globale de l'encombrement en hauteur de l'unité abaissant d'autant l'élévation du strippeur et du réacteur et en réduisant d'autant la longueur et le temps de séjour dans le "Riser". REVENDICATIONS 1) - Procédé de craquage catalytique d'une charge hydrocarbonée dans lequel (a) - la dite charge est craquée en lit fluide ou lit entrainé en présence de particules catalytiques dont les dimensions sont comprises entre 5 et 250x1O6 m (b) - la charge traitée dans la zone fluidisée, est séparée dans un système cyclonique ou balistique du flux de particules catalytiques (c)- les particules catalytiques usées, et séparées de la majeure partie de la charge traitée, circulent de haut en bas dans une zone de strippage, à contre-courant d'au moins un gaz de lavage et forment avec ce gaz de lavage une suspension gaz de lavage-solides pulvérulents, de laquelle on élimine au moyen de ce gaz de lavage, les particules gazeuses ou les hydrocarbures adsorbés sur les dites particules catalytiques et (d) - les particules catalytiques sont envoyées dans au moins une zone de régénération, le procédé étant caractérisé en ce que, pour améliorer le contact gaz-solides dans la dite suspension, à l'aide du gaz qui circule à contre-courant des particules catalytiques, on immerge dans la dite suspension des objets libres de se mouvoir dans la suspension, la taille de chaque objet étant au moins égale à 25 fois les dimensions moyennes des particules pulvérulentes de catalyseur, la densité de ces objets étant comprise entre 0,5 et 1,2 fois la densité du milieu gaz-particules catalytiques dans lequel ils sont immergés, le volume total des objets immergés représentant 5 à 60 % du volume de la dite zone de strippage qui leur est accessible. 2 - Procédé selon la revendication 1 dans lequel les dits objets sont des solides pleins ou creux capables de résister aux conditions de température et pression qui règnent dans la zone de strippage, ces objets ayant une densité comprise entre 0,7 et 1,1 fois la densité du milieu gaz-particules catalytiques dans lequel ils sont immergés, le volume total des objets immergés représentant 10 à 30 % du volume de la dite zone de strippage qui leur est accessible. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les matériaux utilisés pour fabriquer les dits solides sont choisis dans le groupe constitué par les métaux inoxydables, les céramiques, et les matériaux polymères. 4 - Procédé selon la revendication 3 dans lequel les dits solides, utilisés ont des formes identiques ou différentes dans la zone de strippage, ces formes étant choisies dans le groupe constitué par les sphères, les ovoldes, les cylindres, les pyramides, les cônes, les troncs de cône, les cubes, les parallélépipèdes, les solides de forme gyroscopique, avec ballast à l'intérieur, les anneaux toriques, les anneaux cylindriques, les objets de type clef, de type selles de Berl, les chaines et les bouteilles. 5) - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le dit gaz de lavage est choisi dans le groupe constitué par la vapeur d'eau, les gaz de combustion, les gaz inertes, les hydrocarbures légers. 6) - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel, dans la partie inférieure de la zone de strippage, les particules catalytiques sont évacuées à travers au moins une conduite dont l'embout supérieur à l'intérieur de la zone de strippage, a la forme d'un tronc de cône dont la grande base est tournée vers le sommet de la zone de strippage, les parois latérales du tronc de cône, formant entre elles un angle compris entre 20 et 1200, ces parois étant en outre discontinues (ajourées), la taille des ouvertures étant suffisante pour laisser le passage aux particules catalytiques mais étant insuffisante pour laisser passer les dits objets, la grande base du dit trond de cône étant en outre surmontée d'un chapeau continu en forme de cône. 7 - Utilisation du procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans un procédé de craquage catalytique, la zone réactionnelle de craquage étant une zone allongée tubulaire, en haut de laquelle les particules catalytiques sont séparées de la charge traitée et envoyées par au moins un dispositif en forme de "T" ou un dispositif balistique ou cyclonique équivalent dans une zone de strippage annulaire qui entoure la zone allongée tubulaire, les axes longitudinaux de la zone évasée tubulaire d'une part et de la zone annulaire d'autre part, étant ainsi sensiblement confondus. 8 - Utilisation du procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans un procédé de craquage catalytique, la zone réactionnelle de craquage étant une zone allongée tubulaire, en bas de laquelle les particules catalytiques sont séparées de la charge traitée et envoyées par au moins un dispositif en forme de "T" ou un dispositif balistique ou cyclonique équivalent dans une zone de strippage annulaire qui entoure la zone allongée tubulaire, les axes longitudinaux de la zone évasée tubulaire d'une part et de la zone annulaire d'autre part, étant ainsi sensiblement confondus.