Brevet FR2596059A1 — publié le 19870925

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 a 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 les nouveaux procédés de FCC, 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 la figure 1 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 sur la figure. Le catalyseur est introduit à la base de l'élévateur de charge 52 du type "riser" par une ligne 2, en une quantité déterminée par l'ouverture ou la fermeture d'une vanne 53.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 non représenté, 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 non représentée. 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 l'élévateur 52. 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 peuvent contenir des hydrocarbures ayant des gammes d'ébullition se situant entre 200 et 5500C ou plus, et leur densité peut varier entre 10 et 350API, 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 dispositifs 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. On a imaginé précédemment d'envoyer les fumées issues du premier régénérateur traversé par le catalyseur, vers une turbine. Or malgré les difficultés qui pourraient se poser aux constructeurs pour une telle réalisation, avec envoi dans une turbine des seules fumées d'un régénérateur, on a perfectionné ce type de schéma dans la présente invention en imaginant la figure 1 dans laquelle on accroît de façon particulièrement intéressante la récupération d'énergie en envoyant également vers une autre turbine les fumées du deuxième régénérateur traversé par le catalyseur. 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 comme expliqué ci-dessous 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 soufflante 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 - multi plicateur. Le dispositif 46 est le moteur électrique ou moteur générateur. Dans la présente invention, on pourrait utiliser une turbine 35 multiétagée (à 4 niveaux par exemple). Dans la présente invention les fumées du régénérateur 21 (qui pourraient être envoyées directement avec l'effluent de la chaudière à Cl 16), 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 gazeux (ligne 25) des fines particules de catalyseur (ligne 33). Les fines particules de catalyseur de la conduite 33 sont par exemple mélangées à celles de la conduite 14 et traitées par exemple 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, par la ligne 25 conformément à l'invention, après passage par la vanne 26 de régulation et de sécurité, dans une turbine 62 (appelée souvent dans la présente invention "autre turbine"). Les fumées des deux régénérateurs 4 et 21 sont soutirées de la turbine 35 et de la turbine 62 par les conduites 34 et 63 et envoyées vers la chaudière à CO 16. Toutefois une variante permet d'envoyer les fumées de la turbine 35 vers la chaudière à CO et les fumées de la turbine 62, par la conduite en poitillés (64) avec les fumées 17 qui sortent de la chaudière à CO (16). Conformément à l'invention, le principe de fonctionnement de la régénération d'un procédé FCC 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 les procédés conventionnels, 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'était pas récupérée et était complètement dissipée au niveau de la vanne de contrôle (point 28 de la figure). 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 sur un expandeur situé, par exemple, sur la même ligne et dans la même boite. Une autre alternative consiste à avoir les deux expandeurs séparés mais sur le même axe, ou encore séparés et sur deux axes différents. La turbine de récupération 35 peut être constituée de plusieurs étages (2 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 dans une autre 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 première turbine à 2 étages et d'une deuxième turbine à un étage 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 = 0,73 bar (admission au niveau de la deuxième turbine des fumées du régénérateur 21) Psortie = 0,10 bar. Ainsi, dans la présente invention, toujours à titre d'exemple, les fumées du régénérateur 21 (voir figure 2) peuvent être envoyées à l'aspiration d'une deuxième turbine si on tientsscompte 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 25 (après séparation primaire des fines = 1,03 bar) Pression d'admission au deuxième expandeur = 0,73 bar. L'accroissement d'énergie disponible sur l'arbre qui en résulte peut être utilisé par exemple pour la compression de l'air de combustion destiné au régénérateur 2i (conduite 20). L'utilisation des turbines 35 et 62, expandeurs de gaz pour récupération d'énergie, permet donc d'introduire plusieurs flux de gaz à différents niveaux de pression et de température. Il en résulte, que l'on peut alors récupérer par exemple sur un même axe, l'énergie de différents flux de gaz. L'utilisation de cet ensemble de deux turbines (on pourrait appeler cet ensemble une "turbine double", permet donc de pouvoir accepter un flux supplémentaire (le flux des fumées du deuxième régénérateur) par rapport à celui qui provient du premier régénérateur. Exemple Pour le traitement des fumées des régénérateurs d'une unité de cracking en lit fluide (FCC) fonctionnant selon la figure 1, 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 double turbine dont les pressions sont les suivantes, dans l'ordre décroissant. entrée ler expandeur (ou turbine): P1 = 1,90 bar entrée 2ème expandeur: P2 = 0,96 bar sortie des expandeurs: P = 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 sans envoyer vers une turbine les fumées du deuxième régénérateur 21. 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 C02: 11,55 H20: 13,10 100,00 Ces gaz sont admis dans une turbine, dont le nombre d'étages importe peu, dans cette méthode comparative. 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 une turbine 35 à deux étages. Quant au flux qui provient du deuxième régénérateur 21, 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 CO2: 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 une deuxième turbine. Ces gaz vont ainsi développer une énergie supplémentaire mesurée de 4430 chevaux vapeur (3260 Kwatts). L'utilisation de ce flux supplémentaire dans la deuxième turbine permet d'accroître ta récupération d'énergie de 4430/11586 x 100 = 38% environ. On récupère ainsi, au total, sur un arbre commun aux deux turbines, une puissance de 16000 CV (11780 Kwatts). 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 deux turbines. Ici le gain d'énergie est suffisamment important pour justifier au contraire le maintien d'une deuxième turbine dans le système malgré ses contraintes. REVENDICATIONS 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 ( 4), soutiré de cette première zone de régénération et envoyé dans une deuxième zone de régénération (21), 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 au moins une turbine (35), le procédé étant également caractérisé en ce que les fumées soutirées de la dite deuxième zone de régénération 21, après avoir été débarrassées des fines particules de catalyseur qu'elles peuvent contenir, sont envoyées dans au moins une autre turbine (62), la zone de cette deuxième turbine où pénètrent 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 (21), les fumées de la zone de régénération (4), après leur détente dans la turbine (35), (et après avoir été éventuellement mélangées avec au moins les fines particules de catalyseur dont elles avaient été séparées avant l'admission dans la dite turbine (35)) sont envoyées dans une chaudière à CO (16), les fumées de la zone de régénération (21), après leur détente dans la dite autre turbine (62) (et après avoir été également éventuellement mélangées avec au moins les fines particules de catalyseur dont elles avaient été séparées avant l'admission dans la dite autre turbine 63) sont éventuellement envoyées dans une chaudière à CO, tandis que une partie au moins des gaz à base d'air d'au moins une soufflante, de même axe que chaque turbine (35) et (62), (au moins une soufflante par turbine) alimentent au moins en partie les deux zones de régénération en vue d'y effectuer la combustion du catalyseur usé. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la première turbine (35) possède au moins deux chambres, les pressions de ces deux chambres allant en diminuant dans le sens d'écoulement des fumées qui la traversent. 3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la dite autre turbine (62) possède au moins deux chambres, les pressions de ces deux chambres allant en diminuant dans le sens d'écoulement des fumées qui la traversent. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel la première turbine (35) et la dite autre turbine (62) sont montées sur deux axes différents. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel la première turbine (35) et la dite autre turbine (62) sont montées sur un même axe. 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel la dite première turbine et la dite autre turbine sont montées dans le même sens. 7. Procédé selon la revendication 5 dans lequel la dite première turbine et la dite autre turbine sont montées en sens contraire. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel les fumées et la zone de régénération (21), après leur détente dans la dite autre turbine (62), sont mélangées avec les fumées de la zone de régénération (4) (après leur détente dans la turbine (35)) et envoyées ensemble dans la chaudière à C0 (16).