Brevet FR2588876A1 — publié le 19870424

La présente invention entre dans le cadre du craquage catalytique à l'état fluide de charges d'hydrocarbures. On sait que l'industrie pétrolière utilise de façon usuelle des procédés de craquage, dans lesquels des molécules d'hydrocarbures à haut poids moléculaire et à point d'ébullition élevé sont scindées en molécules plus petites, qui peuvent bouillir dans des domaines de températures plus faibles, convenant à l'usage recherché. Le procédé le plus couramment employé dans ce but, à l'heure actuelle, est le procédé dit de craquage catalytique à l'état fluide (en anglais, Fluid Catalytic Cracking, ou encore procédé FCC). Dans ce type de procédé, la charge d'hydrocarbures est vaporisée et mise en contact à haute température avec un catalyseur de craquage, qui est maintenu en suspension dans les vapeurs de la charge. Après que l'on ait atteint par craquage la gamme de poids moléculaire désirée, avec un abaissement correspondant des points d'ébullition, le catalyseur est séparé des produits obtenus, strippé, régénéré par combustion du coke formé, puis remis en contact avec la charge à craquer. Dans un nouveau procédé de FCC, appelé R2R, on utilise deux zones de régénération à travers lesquelles circule le catalyseur usé. Les charges à craquer sont habituellement injectées dans la zone réactionnelle à une température généralement comprise entre 80 et 4000C, sous une pression relative de 0,7 à 3,5 bar, tandis que la température du catalyseur régénéré qui arrive dans cette zone peut être de l'ordre de 600 à 9500C. Pour plus de clarté, on rappelle sur les figures I et 2 la structure des dispositifs usuels de réacteur de type tubulaire, avec double régénération; toutefois dans la présente invention on peut utiliser un réacteur de type adéquat, conventionnel et non pas nécessairement un réacteur de type "riser" (tube avec circulation ascendante de la charge et du catalyseur). Il existe aussi des réacteurs en forme de tube avec circulation descendante des fluides en provenance d'une ligne non représentée. Le catalyseur est introduit à la base de l'élévateur de charge 1 du type "riser" par une ligne 2, en une quantité déterminée par l'ouverture ou la fermeture d'une vanne 3.Les grains de catalyseur sont alors projetés vers le haut du riser par injection à la base de ce dernier, d'un fluide gazeux en provenance d'une conduite non représentée; cette injection est faite à l'aide d'un distributeur de fluide. La charge à craquer est introduite à un niveau supérieur par une ligne non représentée et vaporisée à l'aide d'un dispositif approprié dans le flux dense de grains de catalyseur. La colonne ou "riser" 52 débouche à son sommet dans une enceinte 1 qui lui est par exemple concentrique et dans laquelle s'effectuent, d'une part, la séparation de la charge craquée et, d'autre part, le strippage du catalyseur usé. La charge traitée est séparée dans un système cyclonique, qui est logé dans l'enceinte 1, au sommet de laquelle est prévue une ligne d'évacuation 50 de la charge craquée, tandis que les particules de catalyseur usé sont réinjectées à la base de l'enceinte 1, à l'aide de tout dispositif adéquat, tel que par exemple le "T" 51. Les particules de catalyseur-usé ainsi strippées sont évacuées à la base de l'enceinte 1 vers un premier régénérateur 4, par l'intermédiaire d'un conduit 3, sur lequel est prévue une vanne de régulation. Dans le régénérateur 4, le coke déposé sur les particules du catalyseur est brûlé à l'aide d'air, injecté à la base du régénérateur par une ligne 39, qui alimente des injecteurs 55 régulièrement espacés. Les particules du catalyseur traité et le gaz de combustion sont séparés par des cyclones 56, d'où le gaz de combustion est évacué par une ligne 5. Les particules du catalyseur ayant subi un premier traitement partiel de régénération sont ensuite transférées au second étage 21 du régénérateur par le conduit central 58. La base de l'étage 21 est également alimentée en air par une ligne 20 et les injecteurs 54. Les particules du catalyseur régénéré sont évacuées latéralement vers une enceinte tampon 59 et sont recyclées par le conduit 2 à l'alimentation de liélévateur. Les gaz de combustion évacués à la partie supérieure de l'étage 21 sont traités dans un système cyclonique externe 60, qui est par conséquent susceptible de résister parfaitement aux températures élevées qui résultent d'une combustion complète du coke et à la base duquel les particules du catalyseur sont retournées par le conduit 61 à l'étage 4, tandis que les gaz de combustion sont évacués par la ligne 22. Cet ensemble de craquage catalytique équipé d'un régénérateur à deux étages à flux ascendant, présente les avantages suivants: - double régénération du catalyseur, permettant une combustion intégrale du coke sans altération des propriétés catalytiques, - pas de limitation de la température du second régénérateur, ce qui permet au catalyseur d'acquérir la température requise pour vaporiser la charge, surtout lorsque cette dernière est une charge lourde, - amélioration de la stabilité thermique et de la résistance du catalyseur aux métaux. Les charges d'hydrocarbures susceptibles d'être injectées dans les unités du type représenté peuventcontenir des hydrocarbures ayant des gammes d'ébullition se situant entre 200 et 5500C ou plus, et leur densité peut varier entre 10 et 3508PI, mais également peuvent convenir à des charges lourdes contenant des hydrocarbures dont le point d'ébullition peut aller jusqu'à 7500C et plus, et dont la densité peut varier entre 10 et 350 API. Les catalyseurs utilisables dans les dispositlfs décrits ci-dessus comprennent les catalyseurs de craquage du type aluminosilicates cristallins, certains types de silice-alumine, de silicemagnésie, de silice-zirconium, tous ayant des activités de craquage relativement élevées, ou possédant de telles activités. Les alumino-silicates cristallins peuvent se trouver à l'état naturel ou être préparés par synthèse, selon des techniques bien connues de l'homme de l'art. Ils peuvent être choisis parmi les zéolithes de synthèse ou les argiles, telles que la faujasite, certaines mordenites, la montmorillonite, les argiles pontées, les alumino-phosphates, ou similaires. Dans certaines installations de FCC, on utilise une turbine de récupération dans le circuit des fumées. Mais il faut savoir que ces différentes réalisations qui démontrent l'intérêt que présente la récupération de l'énergie existant encore à la sortie du régénérateur, s'accompagnent de difficultés nombreuses liées à l'insertion de la turbine de récupération dans le procédé. La figure 1 décrit l'utilisation d'une turbine dans le cadre d'un procédé FCC de type R2R. Dans ce cas de figure, on envoie les fumées issues du premier régénérateur traversé par le catalyseur, vers une turbine. Or malgré les difficultés qui pourraient se poser aux constructeurs pour la réalisation de la figure 1, avec envoi dans une turbine des seules fumées d'un régénérateur, on a perfectionné ce type de schéma en imaginant la figure 2 dans laquelle on accroît de façon particulièrement intéressante la récupération d'énergie en envoyant également vers la turbine, les fumées du deuxième régénérateur traversé par le catalyseur, l'invention étant en outre caractérisée en ce que les fumées de ce deuxième régénérateur sont envoyées dans la turbine à un niveau différent de celui où sont envoyées les fumées du premier régénérateur. Le gain d'énergie qui résulte de cette nouvelle invention est suffisamment important pour justifier cette installation. Dans la figure 1, on a représenté les dispositifs de prise de pression 30, 29, 28, 27 dans les deux régénérateurs 21 et 4, à travers les lignes 31 et 32. Sont également indiqués les matériels 10, 9, 8 et 7 pour la prise de pression du régénérateur 4. Les fumées soutirées du régénérateur 4 sont entraînées par la conduite 5 vers une zone de séparation 13 de catalyseur pour retenir le catalyseur entraîné par les fumées du régénérateur et protéger ainsi la turbine 35 d'une usure rapide. Dans la zone 13, on recueille en tête (en 12) la majeure partie des fumées et en queue, par la conduite 14, des fines particules de catalyseurs, lesquelles en continu généralement sont évacuées par la conduite de fuite 14 et acheminées par la conduite 15 vers une chaudière à CO 16. L'effluent gazeux soutiré en 12, chemine à travers la vanne 6 de régulation et de sécurité, vers la turbine 35, qui ici, à titre d'exemple, est une turbine à un étage montée sur l'axe 36, 40, 43. Par la sortie de la turbine opposée à l'entrée des fumées dans la turbine, les fumées sont entraînées dans la conduite 34 puis dans la conduite 15 où elles retrouvent les fines particules de catalyseur que l'on a pris soin de ne pas faire cheminer dans la turbine. Les fumées sont envoyées vers la chaudière à CO 16, puis par la conduite 17, (avec les fumées en provenance du deuxième régénérateur par la conduite 22, la valve 26 et la conduite 57) vers la sortie et cheminée 19 et 18. Sur la figure, on a représenté deux soufflantes ou compresseur d'air 37 et 41. Les alimentations en air n' ont pas été représentées. Une partie de l'air sortant de la soufflange 37 par la conduite 39, alimente par exemple au moins en partie le régénérateur 4; une partie de l'air sortant de la soufflante 41 par la conduite 20 alimente par exemple, au moins en partie le régénérateur 21. Les conduites 38 et 42 sont d'éventuelles lignes de fuite pour un éventuel excès d'air. Le dispositif 44 représente l'alternateur ou le réducteur - multiplicateur. Le dispositif 46 est le moteur électrique ou moteur générateur. L'invention est illustrée par la figure 2 qui-ici est une variante préférée de l'invention non limitative de l'invention. Sur cette figure 2, les organes déjà décrits en relation avec la figure 1 sont désignés par les mêmes chiffres de références. La principale différence d'avec la figure 1 est que l'on utilise une turbine multiétagée (à 4 niveaux par exemple) et que la conduite 57 de la figure 1 est supprimée: les fumées du régénérateur 21 ne sont pas envoyées directement avec l'effluent de la chaudière à CO 16 mais sont envoyées par la conduite 22 vers une zone de séparation 24 analogue à la zone de séparation 13. On y sépare la majeure partie de l'effluent gazux (ligne 25) des fines particules de catalyseur (ligne 33).Les fines particules de catalyseur de la conduite 33 sont mélangées à celles de la conduite 14 et traitées ensemble dans la chaudière à CO avec l'effluent gazeux de la turbine 15. L'effluent gazeux soutiré par la partie supérieure 23 de la zone 24 est introduit, conformément à l'invention, après passage par la vanne 26 de régulation et de sécurité, dans la turbine 35 mais dans un autre étage (étage 48) que celui (47) où ont été introduites les fumées en provenance du régénérateur 4. Les fumées des deux régénérateurs 4 et 21 sont soutirées ensemble de la turbine 35 par la conduite 34 et envoyées vers la chaudière à CO 16. La philosophie du choix des étages de la turbine multiétagée est expliquée ci-dessous. Conformément à l'invention, le principe de fonctionnement de la régénération du procédé R2R est basé sur la circulation du catalyseur du régénérateur 4 vers le régénérateur 21. Cette circulation est basée sur une pression du régénérateur 4 nécessairement-plus forte que celle du régénérateur 21 (par exemple respectivement 2,0 bar et 1,2 bar). La pression absolue du régénérateur 21 est généralement fixée à 70% - 80% de celle du régénérateur 4. Dans la situation actuelle, la récupération d'énergie est réalisée sur les fumées à plus haute pression provenant du régénérateur 4. Cette récupération permet de comprimer en contre-partie l'air utilisé dans ce régénérateur pour la combustion. Cependant l'énergie disponible dans les fumées du régénérateur 21 n'est pas récupérée et est complètement dissipée dans la vanne de contrôle (point 28 de la figure 1).L'invention porte ainsi sur la récupération de tout ou partie de l'énergie disponible dans les fumées du régénérateur 21 en association avec celle du régénérateur 4. La turbine de récupération est généralement constituée de plusieurs étages (3 à 5 par exemple). Les fumées du régénérateur 4 sont envoyées à un étage haute pression, à une pression d'admission de l'ordre de 1,7 bar par exemple. Les gaz détendus sont éjectés à une contre-pression de l'ordre de 0,1 bar environ, par exemple. Dans le principe, les fumées du régénérateur 21 seront envoyées à un étage de la turbine dont la pression est inférieure ou égale à celle des fumées.Pour fixer les idées, et à titre d'exemple, si l'on dispose d'une turbine à 4 étages par exemple, avec les valeurs de pression d'aspiration et d'échappement indiquées plus haut, on a une distribution de pressions du type suivant: P1 = 1,70 bar (admission des fumées du régénérateur 4 en premier étage de la turbine) P2 = 1,16 bar (en deuxième étage de la turbine) P3 = 0,73 bar (admission au niveau du troisème étage des fumées du régénérateur 21) P4 = 0,38 bar (admission au niveau du quatrième étage) = 0,10 bar. sortie Ainsi, dans la présente invention, toujours à titre d'exemple, les fumées su régénérateur 21 (voir figure 2) peuvent être envoyées à l'aspiration du troisième étage si on tient compte d'une perte de charge de l'ordre de 0,3 bar pour les lignes, le séparateur 24 et la vanne de contrôle. On a en effet: - Pression du régénérateur 21 = 1.2 bar Pression de sortie du régénérateur 21 dans la ligne 22 (après séparation primaire des fines = 1,03 bar) Pression d'admission au troisième étage = 0,73 bar. L'accroissement d'énergie disponible sur l'arbre qui en résulte peut être utilisé par exemple pour la compression de 11 air de combustion destiné au régénérateur 21 (conduite 2o). L'utilisation de l'appareil 35, expandeur de gaz pour récupération d'énergie permet donc d'introduire plusieurs flux de gaz à différents niveaux de pression et de température. I1 en résulte, que l'on peut alors récupérer sur une même turbine 1 énergie de différents flux de gaz en profitant des différents étages d'une turbine à plusieurs étages. L'utilisation d'une turbine à plusieurs étages permet donc de pouvoir accepter un flux supplémentaire (le flux des fumées du deuxième régénérateur) par rapport à celui qui provient de l'étage précédent. (flux des fumées du premier régénérateur). La seule condition requise est que le niveau de pression du gaz admis soit au moins égal ou mieux au moins légèrement supérieur ou supérieur à celui de l'étage de la turbine dans lequel est admis le flux en question. Les éléments de cette turbine seront bien entendu dimensionnés pour recevoir les deux flux de gaz. Exemple Pour le traitement des fumées des régénérateurs d'une unité de cracking en lit fluide (FCC) fonctionnant selon les figures 1 et 2, c est-à-dire selon le système dit "R2R" avec réacteur tubulaire ascendant, et régénération du catalyseur dans deux zones de réaction, on se propose de détendre les fumées soutirées des régénérateurs dans une turbine simple dans l'opération A ci-dessous, et pour l'opération B dans une turbine à quatre étages dont les pressions sont les suivantes, dans l'ordre décroissant. entrée ler étage : P1 = 1,90 bar entrée 2ème étage: P2 = 1,42 bar entrée 3ème étage: P3 = 0,96 bar entrée 4ème étage: P4 = 0,50 bar sortie 4ème étage: P5 = 0,06 bar L'unité de cracking utilisée traite 40.000 barils par jour de charge en marche essence (environ 6400 m3/jour). Opération A non conforme à l'invention Dans cette première manipulation, on opère selon la figure 1, à savoir que les fumées du deuxième régénérateur 21 ne sont pas entraînées vers la turbine. Les fumées soutirées du régénérateur 4, par la conduite 5 sont à une pression de 1,96 bar et à une température de 6920C. Leur débit est de 164.600 kg/heure. Elles contiennent une teneur en particules catalytiques de 510 mg/Nm3 et ont la composition suivante en molaire: N2: 70,85 CO: 4,50 CO2: 11,55 H20: 13,10 100,00 Ces gaz sont admis dans une turbine, dont le nombre d'étages importe peu, si seules les fumées du premier régénérateur pénètrent dans cette turbine. L'énergie récupérée par la détente du ces gaz correspond à une puissance (ou quantité d'énergie récupérée) égale à 11586 chevaux vapeur (8527 Kwatts). Opération B On opère comme dans l'opération A, avec 13 turbine à quatre étages. Quant au flux qui provient du deuxième régénérateur, il est à la pression de 1,02 bar et à une température de 7670C. Son débit est de 80.200 kg/heure et sa composition en % molaire: N2: 75,60 CO: 0,05 C02: 15,85 1,95 H2O: 6,55 100,00 (teneur en particules catalytiques: 450 mg/Nm3). Ce flux, dans cette opération B est introduit dans un étage de la turbine et plus précisément dans celui des étages de la turbine dont la pression est au niveau immédiatement inférieur à la pression du flux des fumées du deuxième régénérateur. La pression des fumées du deuxième régénérateur étant ici 1,02 bar, on choisit donc de les envoyer dans le troisième étage de la turbine dont la pression P3 est 0,96 bar. Ces gaz admis aux niveaux définis ci-dessus vont ainsi développer une énergie supplémentaire mesurée de 4430 chevaux vapeur (3260 Kwatts). L'utilisation de ce flux supplémentaire dans la turbine permet d'accroître la récupération d'énergie de 4430/11586 x 100 = 38% environ. On récupère ainsi, au total, sur l'arbre de la turbine une puissance de 15900 CV (11702 Kwat.ts). Cette augmentation d'énergie récupérable est importante. En particulier, au début de cette demande de brevet, on a insisté sur le fait que l'installation de turbine dans un tel procédé de FCC donnait lieu à des difficultés matérielles opératoires qui incitent à ne pas utiliser de turbine. Ici le gain d'énérgie est suffisamment important pour justifier au contraire le maintien d'une turbine dans le système malgré ses contraintes. REVENDICATION 1.- Procédé de craquage en lit fluide d'une charge hydrocarbonée dans une zone de réaction, le catalyseur étant ensuite soutiré de la zone de réaction puis partiellement régénéré dans une première zone de régénération, soutiré de cette première zone de régénération et envoyé dans une deuxième zone de régénération, dont la pression est inférieure à la pression de la première zone de régénération, le procédé étant caractérisé en ce que les fumées soutirées de la dite première zone de régénération, après avoir été débarrassées des fines particules de catalyseur qu'elles peuvent contenir, sont envoyées vers une turbine comportant plusieurs chambres, les pressions de chaque chambre décroissant dans le sens d'écoulement des fumees qui les traversent, les dites fumées étant ainsi introduites dans l'étage de plus haute pression de la turbine, le procédé étant également caractérisé en ce que les fumées soutirées de la dite deuxième zone de régénération, après avoir été débarrassées des fines particules de catalyseur qu'elles peuvent contenir, sont envoyées dans la dite turbine et dans un étage de celle-ci autre que celui où sont envoyées les fumées soutirées de la première zone de régénération, l'étage où sont envoyées les fumées de la deuxième zone de régénération étant à une pression inférieure ou égale à la pression des dites fumées de la deuxième zone de régénération, les fumées des deux zones de régénération, après leur détente dans la dite turbine, étant récupérées ensemble, jointes aux éventuelles fines particules de catalyseur dont elles avaient été séparées avant l'admission dans la dite turbine et envoyées dans une chaudière à Cl tandis que une partie au moins des gaz à base d'air de deux soufflantes de même axe que la turbine, alimentent au moins en partie les deux zones de régénération en vue d'y effectuer la combustion du catalyseur usé.