Brevet FR2655053A1 — publié le 19910531

La présente invention concerne le domaine du craquage catalytique de charges d'hydrocarbures en lit fluidisé entraîné et, plus particulièrement, elle concerne un procédé et un dispositif de régulation des conditions de fonctionnement d'un réacteur de craquage catalytique utilisant une source de rayonnements ionisants. Le craquage catalytique de charges d'hydrocarbures a connu et connait encore un développement important du au progrès de la technique et à celui des catalyseurs. Ce développement est lié en particulier à la demande de plus en plus importante en fractions légères en dépit de l'utilisation de plus en plus fréquente de charges lourdes d'hydrocarbures. Les développements récents en matière de craquage catalytique ont ainsi montré que des facteurs importants de la réaction de craquage catalytique sont la rapidité et l'uniformité de la mise en contact de la charge avec les grains de catalyseurs et en particulier la qualité de la vaporisation de cette charge après son injection dans la zone réactionnelle. I1 est donc important, de bien contrôler, en particulier la quantité de charge introduite en liaison avec la quantité de catalyseur avec lequel elle entre en contact.Ce ou ces contrôles et régulations ont été décrits dans plusieurs documents, par exemple, dans les brevets US-A-3687841 et US-A-3689403 dans lesquels on mesure en continu ou de façon périodique, entre autre, la température en divers points du réacteur et on effectue les régulations nécessaires de manière à maintenir une température au point de la mesure dans une gamme de valeurs prédéterminée. Ces procédés ne permettent pas une régulation optimale du fonctionnement du réacteur de craquage catalytique. La mesure de température ne permet pas de connaître de façon précise la quantité de solide dans la zone de la mesure et il est donc difficile d'optimiser les conditions de fonctionnement du réacteur. Par ailleurs l'introduction d'une sonde de mesure dans le lit fluidisé perturbe plus ou moins les caractéristiques physiques dudit lit et de plus il est nécessaire de changer relativement fréquemment ces sondes qui sont rapidement corrodées par les grains de catalyseurs en mouvement. Le procédé de la présente invention permet une meilleure régulation du fonctionnment du réacteur de craquage catalytique en particulier par une meilleure connaissance de la masse volumique du solide en mouve ment,- suivant au moins une direction ou en au moins une zone donnée.Il permet en outre de pallier, au moins en partie, les inconvénients liés à l'utilisation de sondes et notamment de sondes de température en contact avec le solide en mouvement, et en particulier des sondes de température qui sont normalement positionnées entre la zone d'introduction du solide catalytique et la zone d'introduction de la charge d'hydrocarbures ou à proximité de celle-ci. I1 est cependant possible de conserver un certain nombre de sondes de température, par exemple celles situées dans la zone de désengagement du catalyseur ou dans la zone de régénération, ainsi que par exemples des sondes de pression ; ces sondes fournissent des renseignements supplémentaires sur le fonctionnement du réacteur et peuvent permettre une optimisation plus poussée du fonctionnement dudit réacteur. De façon plus précise la présente invention concerne un procédé de craquage catalytique, d'une charge d'hydrocarbures, en lit fluidisé entraîné, dans une zone réactionnelle de forme allongée comprenant, à proximité d'une première extrémité, d'amont en aval dans le sens du déplacement de la charge, des moyens d'introduction d'au moins un fluide de fluidisation, des moyens d'introduction d'au moins un solide con- tenant des particules catalytiques, des moyens d'introduction d'au moins un fluide d'entraînement et des moyens d'introduction de ladite charge d'hydrocarbures, caractérisé en ce que ladite zone réactionnelle comprend -a) au moins une source de rayonnements ionisants et au moins un détecteur dudit rayonnement, ladite source et ledit détecteur étant positionnés à un niveau situé en aval, dans le sens du déplacement du solide, du niveau d'introduction du solide de manière à permettre la mesure de la masse volumique moyenne du solide en mouvement, selon au moins une direction déterminée sensiblement perpendiculaire à la direction de déplacement de la charge ou dans au moins une zone donnée, entre ladite source et ledit récepteur, -b) des moyens de mesure et de régulation de la quantité de solide et/ou du débit de fluide de fluidisation et/ou du débit de fluide d'entraînement et/ou du débit de la charge d'hydrocarbures introduits dans la zone réactionnelle et -c) des moyens, par exemple de calcul programmables, permettant, à partir de l'acquisition de la valeur de la masse volumique, selon au moins une direction déterminée ou dans au moins une zone donnée et à un instant donné, d'effectuer le craquage de la charge d'hydrocarbures dans des conditions stabilisées et préalablement déterminées, par comparaison avec les valeurs de référence des divers paramètres, valeurs par exemple mémorisées dans lesdits moyen de calcul programmables, en ajustant, de façon continue ou périodique, au moins l'un des quatre paramètres suivants de fonctionnement dudit procédé de craquage catalytique : la quantité de solide introduit, le débit de fluide de fluidisation, le débit de fluide d'entraînement et le débit de la charge d'hydrocarbures introduite dans ladite zone réactionnelle. L'utilisation d'une source de rayonnements ionisants et d'un détecteur dudit rayonnement positionnés dans le même plan, de part et d'autre de la zone réactionnelle, à un niveau choisi, permet par la mesure de la variation de l'absorption de ce rayonnement (variation qui est directement liée à la variation de la masse volumique du solide en cet endroit de la mesure) de contrôler et par exemple de maintenir cette masse volumique entre deux valeurs extrêmes préalablement choisies. Il est possible d'effectuer une série de mesures suivant une série de directions dans le même plan et d'obtenir ainsi une cartographie de répartition de la masse volumique du solide dans le plan de mesure.Une telle cartographie peut être effectuée à l'aide d'un seul et même ensemble mobile, source et détecteur ou à l'aide de plusieurs sources et de plusieurs détecteurs. I1 est également possible d'effectuer plusieurs cartographies dans des plans situés à des niveaux différents, par exemple entre la zone d'introduction du solide et la zone d'introduction de la charge, ou en aval (dans le sens de déplacement du solide) de la zone d'introduction de la charge d'hydrocarbures. La source de rayonnements ionisants peut être positionnée à l'extérieur de la zone réactionnelle ou à l'intérieur de la zone réactionnelle, par exemple à proximité de sa périphérie. Il en est de même du détecteur de rayonnements. De manière préférée la source et le détecteur sont placés à l'extérieur de la zone réactionnelle. Cette zone réactionnelle ou réacteur de forme allongée est habituellement un tube de section sensiblement circulaire et de diamètre sensiblement constant sur toute sa longueur, ayant un axe de symétrie. Tout émetteur de rayonnements ionisants, ayant une puissance d'émission suffisante estimée en fonction des caractéristiques de l'appareillage utilisé, peut être employé. La source de rayonnements employée est habituellement une source de rayonnements alpha, béta, gamma, X ou une source de neutrons. On utilise le plus souvent une source de rayonnements gamma telle que par exemple une source scellée classique de Césium 137 ou une source de Cobalt 60. La puissance des sources utilisées est le plus souvent d'environ 1 à 100 Curies3,7xl010 à 370x10 becquerels). Le détecteur du rayonnement est habituellement un détecteur classique sensible ausrayonnements ionisants tels que par exemple un photomultiplicateur ou une chambre d'ionisation. La ou les positions précises de la ou des sources de rayonnements ionisants et du ou des détecteurs correspondants, par exemple entre la zone d'introduction du solide comprenant des particules catalytiques et la zone d'introduction de la charge d'hydrocarbures, peut ou peuvent être aisément déterminées par l'homme du métier en particulier en fonction de la taille de la zone de réaction et de la masse volumique moyenne choisie pour le lit fluidisé entraîné dans les conditions employées pour effectuer le craquage, et également en fonction du ou des modes de régulations choisis. Dans une première forme préférée de réalisation de l'invention on ajuste de façon continue ou périodique le débit de fluide d'entraînement en liason avec la mesure de la masse volumique effectuée à un niveau compris entre le niveau d'introduction du solide et le niveau d'introduction de la charge d'hydrocarbures. Dans une deuxième forme préférée de réalisation de l'invention on ajuste de façon continue ou périodique le débit de solide en liaison avec la mesure de la masse volumique effectuée à un niveau situé en aval, dans le sens du déplacement du solide, du niveau d'introduction de la charge d'hydrocarbures. Dans une troisième forme de réalisation particulièrement performante on combine les deux régulations décrites ci-avant en utilisant deux moyens de mesure dont l'un est situé entre le niveau d'introduction du solide et le niveau d'introduction de la charge et permet de réguler le débit de fluide d'entraînement et dont l'autre est situé en aval du niveau d'introduction de la charge et permet de réguler le débit de solide. Enfin dans une autre forme de réalisation de l'invention on ajuste de façon continue ou périodique la quantité de solide introduite dans la zone de réaction, le débit de fluide d'entraînement et le débit de fluide de fluidisation. La puissance de la source est elle même choisie en particulier en fonc tion des deux premiers paramètres cités ci-avant de manière à pouvoir permettre une mesure de la masse volumique dans de bonnes conditions de sensibilité. Dans une forme préférée de mise en oeuvre de la présente invention les moyens de mesure de la masse volumique, ctest-à-dire la source de rayonnements ionisants et le détecteur qui lui est associé, sont situés à un niveau suffisamment éloigné de la zone d'introduction du solide de manière à ce que la mesure de la masse volumique ne soit pas effectuée au niveau de la zone d'agitation importante qui existe à proximité immédiate de cette zone d'introduction du solide, et de même, pour des raisons similaires, les moyens de mesures seront situés de préférence à un niveau suffisamment éloigné de la zone d'introduction de la charge d'hydrocarbures. Les signaux obtenus à la sortie du détecteur sont habituellement envoyés, éventuellement après transformation ou traitement par exemple à l'aide d'un analyseur de signaux tel qu'un analyseur multicanaux, aux moyens de calcul programmables. Ces signaux permettent après étalonnage de connaître la masse volumique du solide dans la partie traversée par le rayonnement ionisant. C'est habituellement cette valeur calculée de la masse volumique qui est envoyée aux moyens de calcul programmables. Ces moyens de calcul programmables renferment habituellement un ordinateur comportant un programme adapté à l'analyse comparative de diverses valeurs par rapport à des valeurs seuils. Ces valeurs sont ainsi le plus souvent traitées suivant un modèle mathématique d'écoulement des solides dans une enceinte de forme allongée.A titre d'exemple non limitatif de modèle mathématique pouvant être utilisé pour déterminer le débit de solide, la demanderesse a utilisé le modèle suivant dans ce modèle DC représente le débit (en tonne par heue) du catalyseur, M représente la valeur de la masse volumique (en kilogramme par mètre cube) mesurée à partir du ou des signaux obtenus à la sortie des moyens de mesures, R représente le rayon moyen (en mètre) de la zone réactionnelle de forme allongée dans le plan où l'on effectue la mesure, et A,B et a représentent trois constantes déterminées par étalonnage, dont les valeurs sont en particulier liées à la position de la source par rapport à la zone réactionnelle, à la puissance de la source et aux dimensions de la zone réactionnelle, e est la représertation de la fonction exponentielle, z est un nombre (exprimé en mètre) égal à la distance entre 3 zone de mesure et la zone d'entrée du catalyseur et y est la distance, en mètre, entre le centre de l'enceinte de forme allongée et la direction suivant laquelle est effectuée la mesure. Les moyens de calcul programmables comparent la ou les valeurs fournies à la ou aux valeurs de référence choisies et lorsqu'il y a déviation par rapport à cette ou à l'une de ces valeurs de référence choisies ces moyens modifient ou ajustent au moins l'un des quatres paramètres suivants du fonctionnement du procédé de craquage catalytique : la quanti té de solide introduit, le débit de fluide de fluidisation, le débit de fluide d'entraînement et le débit de la charge d'hydrocarbures introduite dans ladite zone réactionnelle, cette modification étant effectuée de manière à permettre un retour aussi rapide que possible aux conditions de fonctionnement préalablement choisies par l'homme du métier.Cette modification peut être effectuée de façon continue ou périodique, simultanément ou de façon décalée par rapport à l'instant de la ou des mesures de la masse volumique. La modification des débits du solide ou des divers fluides est habituellement effectuée par action sur des vannes automatiques, commandées par les moyens de calcul programmables, installées sur les divers conduits d'introduction de ce solide ou de ces fluides dans la zone de réaction. Dans une forme particulièrement performante de mise en oeuvre du procédé de craquage catalytique de la présente invention la zone réactionnelle comprend au moins deux points d'introduction de la charge d'hydrocarbures et de préférence une pluralité de points d'introduction de ladite charge. La masse volumique du solide est alors mesurée ou évaluée à proximité de chacun de ces points d'introduction et la quantité de charge d'hydrocarbures introduite en chaque point est régulée au cours du temps en relation avec la masse volumique de solide mesurée à proximité dudit point d'introduction de la charge. Dans les figures annexées, illustrant l'invention, les organes similaires sont désignés par les mêmes chiffres ou lettres de référence. La figure 1 représente le schéma de principe de la boucle de régulation du gaz d'entraînement et du solide catalytique. Le catalyseur frais et/ou régénéré arrive, à proximité d'une extrémité du réacteur (1), par le conduit (2) comportant une vanne réglable (7). Par le conduit (3) on introduit le fluide de fluidisation ; par le conduit (4), comportant une vanne réglable (6), débouchant dans le réacteur (1) à un niveau situé entre la zone d'introduction du catalyseur et la zone dtintroduc- tion de la charge d'hydrocarbures, on introduit le fluide d'entraînement.La charge d'hydrocarbures est introduite par le conduit (5) et la mesure de la masse volumique est effectuée suivant les axes AA' et BB' aux niveaux desquels sont positionnés les sources S1 et S2 de rayonnements ionisants et les détecteurs D1 et D2 du rayonnement ionisant émis par les sources et ayant traversé le solide en mouvement dans le réacteur (1). Les détecteurs D1 et D2 sont reliés aux moyens de calcul programmables C qui sont eux mêmes reliés aux vannes (6) et (7) dont ils commandent l'ouverture plus ou moins grande. La figure 2 représente une coupe du réacteur suivant l'axe AA' et montre la direction selon laquelle la mesure du rayonnement transmis à travers le solide en mouvement est effectuée. La distance de la corde selon laquelle la mesure est effectuée au centre "o" du réacteur (1) est égale à y. Suite à de très nombreux essais, la demanderesse a déterminé qu'il existe une corde selon laquelle la valeur mesurée de la masse volumique du solide en mouvement est pratiquement égale à la valeur moyenne de cette masse volumique, calculée sur l'ensemble du plan de la section. Dans la majorité des cas il est donc possible de n'effectuer la mesure de la masse volumique que suivant cette corde tout en conservant une très bonne possibilité de régulation des conditions de fonctionnement du réacteur. La figure 3 représente un gammagramme obtenu par une série de mesures effectuées dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe du réacteur et passant par l'axe AA'. Les zones e, f, g, h, i et j sont des zones dans lesquelles la masse volumique est comprise entre deux valeurs extrêmes (zones dtisodensités). Le tableau 1 représente un exemple d'algorithme suivi pour réguler les conditions de fonctionnement d'un réacteur de craquage catalytique. La présente invention concerne également un dispositif pour réguler les conditions de fonctionnement d'un réacteur, de craquage catalytique en lit fluidisé entraîné, de forme allongée, comprenant, à proximité d'une première extrémité, d'amont en aval dans le sens du déplacement de la charge, des moyens d'introduction d'au moins un fluide de fluidisation, des moyens d'introduction d'au moins un solide contenant des particules catalytiques, des moyens d'introduction d'au moins un fluide d'entral- nement et des moyens d'introduction de ladite charge d'hydrocarbures, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend -a) au moins une source de rayonnements ionisants et au moins un détecteur dudit rayonnement, ladite source et ledit détecteur étant positionnés à un niveau situé en aval, dans le sens du déplacement du solide, du niveau d'introduction du solide de manière à permettre la mesure de la masse volumique moyenne du solide en mouvement, selon au moins une direction déterminée sensiblement perpendiculaire à la direction de déplacement de la charge ou dans au moins une zone donnée, entre ladite source et ledit récepteur, -b) des moyens de mesure et de régulation de la quantité de solide et/ou du débit de fluide de fluidisation et/ou du débit de fluide d'entraînement et/ou du débit de la charge d'hydrocarbures introduits dans le réacteur et -c) des moyens, par exemple de calcul programmables, permettant, à partir de l'acquisition de la valeur de la masse volumique, selon au moins une direction déterminée ou dans au moins une zone donnée et à un instant donné, d'effectuer le craquage de la charge d'hydrocarbures dans des conditions stabilisées et préalablement déterminées, par comparaison avec les valeurs de référence des divers paramètres, valeurs par exemple mémorisées dans lesdits moyen de calcul programmables, en ajustant, de façon continue ou périodique, au moins l'un des quatre paramètres suivant de fonctionnement dudit procédé de craquage catalytique : la quantité de solide introduit, le débit de fluide de fluidisation, le débit de fluide d'entraînement et le débit de la charge d'hydrocarbures introduite dans ladite zone réactionnelle. Dans le cadre de la présente invention il n'est pas fait mention des solides et catalyseurs employés, ni des divers fluides utilisés qui sont des données classiques bien connues de l'homme du craquage catalytique. On peut utiliser toutes les charges classiques, mais le procédé de la présente invention est particulièrement performant lorsque l'on utilise des charges lourdes non conventionnelles, c'est-à-dire des charges contenant par exemple plus de 10% de leur volume composés d'hydrocarbures de point d'ébullition supérieur à 550 C. Les charges employées contiennent habituellement des hydrocarbures ayant des gammes d'ébullition se situant entre 200 et 600 C ou plus et leur densité peut varier entre 10 et 35 API. Le fluide d'entraînement est le plus souvent formé par une fraction du fluide de fluidisation. Initialisation des paramètres Acquisition des valeurs venant des détecteurs Traitements des valeurs Affichage des valeurs Sortie vers enregistreur I Comparaison des valeurs aux valeurs de consigne I Pas d'action Action o/F Action O/F Vanne débit Vanne débit Vanne !bit Vanne débit charge charte l gaz solide l fluide entrainement fluidisation TABLEAU 1 REVENDICATIONS -1- Procédé de craquage catalytique, d'une charge d'hydrocarbures, en lit fluidisé entraîné, dans une zone réactionnelle de forme allongée comprenant, à proximité d'une première extrémité, d'amont en aval dans le sens du déplacement de la charge, des moyens d'introduction d'au moins un fluide de fluidisation, des moyens d'introduction d'au moins un solide contenant des particules catalytiques, des moyens dtintroduc- tion d' au moins un fluide d'entraînement et des moyens d'introduction de ladite charge d'hydrocarbures, caractérisé en ce que ladite zone réactionnelle comprend -a) au moins une source de rayonnements ionisants et au moins un détecteur dudit rayonnement, ladite source et ledit détecteur étant positionnés à un niveau situé en aval, dans le sens du déplacement du solide, du niveau d'introduction du solide de manière à permettre la mesure de la masse volumique moyenne du solide en mouvement, selon au moins une direction déterminée sensiblement perpendiculaire à la direction de déplacement de la charge ou dans au moins une zone donnée, entre ladite source et ledit récepteur, -b) des moyens de mesure et de régulation de la quantité de solide et/ou du débit de fluide de fluidisation et/ou du débit de fluide d'entraînement et/ou du débit de la charge d'hydrocarbures introduits dans la zone réactionnelle et -c) des moyens permettant à partir de l'acquisition de la valeur de la masse volumique, selon au moins une direction déterminée ou dans au moins une zone donnée et à un instant donné, d'effectuer le craquage de la charge d'hydrocarbures dans des conditions stabilisées et préalablement déterminées, par comparaison avec les valeurs de référence des divers paramètres, en ajustant, de façon continue ou périodique, au moins l'un des quatre paramètres suivants de fonctionnement dudit procédé de craquage catalytique : la quantité de solide introduit, le débit de fluide de fluidisation, le débit de fluide d'entraînement et le débit de la charge d'hydrocarbures introduite dans ladite zone réactionnelle. -2- Procédé selon la revendication 1 dans lequel on effectue une série de mesure de la masse volumique moyenne du solide, dans un plan donné, suivant une série de directions. -3- Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la source de rayonnements et le détecteur dudit rayonnement sont situés à ltexté- rieur de la zone réactionnelle. -4- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel on ajuste de façon continue ou périodique le débit de fluide de fluidisation. -5- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel on ajuste de façon continue ou périodique le débit de charge d'hydrocarbures. -6- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel on ajuste de façon continue ou périodique la quantité de solide introduite dans la zone de réaction. -7- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel on ajuste de façon continue ou périodique le débit de fluide d'entraînement. -8- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel on ajuste simultanément de façon continue ou périodique la quantité de solide introduite dans la zone de réaction et le débit de fluide d'entraînement. -9- Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel la zone réactionnelle comprend une pluralité de points d'introduction de la charge d'hydrocarbures à travers lesquels on introduit une quantité de charge d'hydrocarbures en relation avec la masse volumique de solide mesurée à proximité dudit point d'introduction de la charge et on régule cette quantité de charge en fonction de la masse volumique mesurée. -10- Dispositif pour réguler les conditions de fonctionnement d'un réacteur de craquage catalytique en lit fluidisé entraîné, de forme allongée, comprenant, à proximité d'une première extrémité, d'amont en aval dans le sens du déplacement de la charge d'hydrocarbures, des moyens d'introduction d'au moins un fluide de fluidisation, des moyens d'introduction d'au moins un solide contenant des particules catalytiques, des moyens d'introduction d'au moins un fluide d'entraînement et des moyens d'introduction de ladite charge d'hydrocarbures, dispositif caractérisé en ce qu il comprend -a) au moins une source de rayonnements ionisants et au moins un détecteur dudit rayonnement, ladite source et ledit détecteur étant positionnés à un niveau situé en aval, dans le sens du déplacement du solide, du niveau d'introduction du solide de manière à permettre la mesure de la masse volumique moyenne du solide en mouvement, selon au moins une direction déterminée sensiblement perpendiculaire à la direction de déplacement de la charge ou dans au moins une zone donnée, entre ladite source et ledit récepteur, -b) des moyens de mesure et de régulation de la quantité de solide et/ou du débit de fluide de fluidisation et/ou du débit de fluide d'entraînement et/ou du débit de la charge d'hydrocarbures introduits dans le réacteur et -c) des moyens permettant à partir de l'acquisition de la valeur de la masse volumique, selon au moins une direction déterminée ou dans au moins une zone donnée et à un instant donné, d'effectuer le craquage de la charge d'hydrocarbures dans des conditions stabilisées et préalablement déterminées, par comparaison avec les valeurs de référence des divers paramètres, en ajustant, de façon continue ou périodique, au moins l'un des quatre paramètres suivant de fonctionnement dudit procédé de craquage catalytique : la quantité de solide introduit, le débit de fluide de fluidisation, le débit de fluide d'entraînement et le débit de la charge d'hydrocarbures introduite dans ladite zone réactionnelle.