Brevet FR2894848A1 — publié le 20070622

DOMAINE DE L'INVENTION Le domaine de l'invention est celui des unites de craquage catalytique en lit fluidise, notees en abrege FCC, permettant essentiellement de transformer des coupes de type distillats sous vide, residus atmospherique ou sous vide, hydrotraites ou non, en base pour essence, gazole et LPG. Elie s'applique egalement aux unites de craquage catalytique travaillant a haute severite en vue de maximiser le rendement en olefines, unites designees par 1'homme du metier sous le terme de FCC petrochimiques. Les unites FCC, conventionnelles ou petrochimiques, sont generalement constituees d'une zone reactionnelle de forme tubulaire allongee selon un axe sensiblement vertical appele "riser" dans la terminologie anglo saxonne. On conservera dans la suite du texte la terminologie "riser" pour designer la zone reactionnelle. A la base du riser, la charge liquide est introduite a travers un ou une pluralite d'injecteurs qui la transforme en gouttelettes, puis ces gouttelettes sont vaporisees au contact du catalyseur chaud en provenance de la zone de regeneration. Les reactions de craquage ont lieu consecutivement A. la vaporisation de la charge entre, d'une part la charge A. 1'etat gazeux, et d'autre part le catalyseur en suspension entraine par le flux reactionnel. La conversion de la charge par la reaction de craquage est definie comme la quantite de charge ayant reagi sur la quantite de charge entrante, la quantite de charge ayant reagi etant elle meme definie comme la charge entrante diminuee de la production de LCO (coupe petroliere dont l'intervalle de distillation est compris entre 220 C et 360 C) et de la coupe "slurry" (coupe petroliere dont la distillation commence a partir de 360 C ). Dans les unites FCC, le catalyseur est divise sous forme de particules de diametre typiquement compris entre 30 et 120 microns, avec une valeur moyenne situee autour de 70 microns. La desactivation du catalyseur dans la zone d'injection et de reaction est notamment due a la formation de coke sur la surface du catalyseur. Dans certaines unites de FCC, l'injection de charge est suivie a une certain distance au dessus du plan des injecteurs de charge, d'une injection d'un fluide inerte ou convertissant visa vis des reactions de craquage, appelee injection MTC ( abreviation de Mixed Temperature Control, qu'on peut traduire par moyen de controle de la temperature ), qui a pour but de controler le profil de temperature dans la partie inferieure du riser. Les injecteurs dune unite de FCC sont generalement orientes vers le haut. Certaines unites de FCC possedent des injecteurs diriges vers le bas. La presente invention s'applique egalement a ce type d'unite. La presente invention peut donc s'appliquer a n'importe quelle unite de craquage catalytique en lit fluidise muni d'un riser comportant un systeme d'injection de la charge, et eventuellement d'un systeme de controle de temperature de type MTC. L'invention s'applique neanmoins egalement a des unites de FCC non equipees du systeme de controle MTC. EXAMEN DE L'ART ANTERIEUR Ti est connu de l'homme du metier que la repartition du catalyseur a 1'interieur des risers de FCC nest pas homogene. Dans chaque section du riser situee dans la zone de vaporisation, le catalyseur est preferentiellement concentre a la paroi donnant lieu A. une depression vers le centre. On parle de modele coeur-dispositif de redistribution pour representer une telle distribution radiale inegale entre le centre du riser et les parois. De plus, le catalyseur en paroi est soumis a un mouvement de redescente appele retromelange ou recirculation, qui a pour effet de remettre en contact du catalyseur ayant deja rencontre la charge, donc en partie refroidi, avec de la charge fraiche. L'impact de ce retromelange sur les reactions est negatif puisqu'il favorise le developpement de reactions secondaires de surcraquage dormant lieu in fine A. des produits lourds de condensation du type coke, et des gaz, ceci au detriment du rendement en essence, LPG et gazole. Plusieurs dispositifs ou amenagements de la zone de vaporisation ont ete etudies pour lutter contre le phenomene de retromelange. On peut citer le brevet US 3,353,925 qui divulgue une succession de zones de restriction appelees "contacteur venturi" reparties sur toute la longueur du riser ( dans le texte cite le riser est denomme "ligne de transfert") destinees a reduire le phenomene de retromelange. Dans ce brevet, aucune information nest donnee sur la forme et le degre de restriction apportes par les dits contacteurs venturi. Il est seulement dit que la vitesse de la suspension gaz solide au passage des restrictions est comprise entre 9 et 12 m/s en fonction de 1'elevation dans le riser. Notre invention enseigne des formes et des niveaux de restriction chiffres, et de plus, ne concerne que la zone de vaporisation et non pas 1'ensemble du riser. Plus recemment le brevet US 5,997,726 decrit une zone de mise en contact de la charge hydrocarbure avec le catalyseur applicable a des ecoulements descendants comprenant une zone de restriction situee au dessous du plan d'injection de la charge. Les ecoulements descendants sont bien connus de l'homme du metier pour provoquer une diminution du retromelange. De plus, dans la presente invention la zone de restriction est bien situee au dessus du plan d'injection. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La figure 1 donne la configuration generale de la zone d'injection dune unite de FCC equipee du dispositif selon la presente invention. Les figures 2a, 2b, 2c, 2d, 2 e, 2f, 2g, et 2h illustrent de maniere non limitative diverses formes du dispositif de redistribution selon 1'invention. Les courbes A, B de la figure 3 montrent une comparaison des profils radiaux de flux de catalyseur avec et sans le dispositif de redistribution et servent a illustrer 1'exemple comparatif. DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTION L'invention consiste en un dispositif de redistribution du catalyseur a 1'interieur de la zone reactionnelle dune unite de craquage catalytique ( appelee riser dans la terminologie de 1'homme du metier) dispose au dessus du systeme d'injection de charge, et ayant la forme generale d'un anneau attenant a la paroi du riser, caracterise en ce que la section offerte au passage du catalyseur dans la zone reduite du riser correspondant au dispositif de redistribution, est comprise entre 10% et 70 % de la section du riser, et preferentiellement comprise entre 30% et 45%. Par dispositif de redistribution, on entend un dispositif unique faisant le tour de la paroi interne du riser de maniere continue et ininterrompue. La section du dit dispositif de redistribution pourra avoir des formes tres diverses en partie ou integralement rectiligne et/ou en partie ou integralement curviligne, dont certaines seulement seront illustrees. Selon une premiere variante de la presente invention, le dispositif de redistribution du catalyseur a 1'interieur de la zone reactionnelle d'une unite de craquage catalytique sera situe a une hauteur comprise entre 0,1 et 5 metres, et preferentiellement comprise entre 2 et 4 metres au dessus du plan des injecteurs de charge. Selon une seconde variante de la presente invention, le dispositif de redistribution du catalyseur a l'interieur de la zone reactionnelle d'une unite de FCC sera siue dans la zone comprise entre le plan des injecteurs de charge et le plan des injecteurs MTC. Selon une troisieme variante de la presente invention, le dispositif de redistribution du catalyseur a 1'interieur de la zone reactionnelle dune unite de FCC sera siue a une hauteur comprise entre 0,1 et 5 metres, et preferentiellement comprise entre 2 et 4 metres au dessus du plan des injecteurs de MTC. Enfin, selon une autre variante de la presente invention, it est possible d'installer deux systemes de redistribution selon la presente invention, le premier siue entre le plan des injecteurs de charge et le plan des injecteurs MTC, et le second siue a une hauteur comprise entre 0,1 et 5 metres au dessus du plan des injecteurs de MTC. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La presente description sera mieux comprise en suivant la figure 1. La presente invention concerne un dispositif equipant la partie inferieure d'un riser de FCC de maniere a ameliorer la distribution radiale du catalyseur dans la dite zone. On appellera dans la suite du texte ce dispositif, dispositif de redistribution du catalyseur. La partie inferieure d'un riser de FCC comprend classiquement une conduite d'arrivee du catalyseur (4) en provenance de la zone de regeneration ( non montree sur la figure 1), une zone d'injection (A) comprenant un systeme d'injection de charge (1), et eventuellement un systeme d'injection d'un fluide de controle de temperature appele MTC (2) situes au dessus des injecteurs de charge. La zone d'injection (A) appelee aussi zone d'acceleration, ou encore zone de vaporisation, s'etend depuis le niveau d'injection de la charge, jusqu'a environ 4 a 5 metres au dessus. Une seconde zone (B) faisant suite a la premiere dans le sens de 1'ecoulement des fluides reactionnels, s'etend jusqu'au sommet du riser. La zone d'acceleration (A) est caracterisee par des vitesses d'ecoulement de gaz relativement faibles, de l'ordre de quelques metres/seconde, et des densites de catalyseur elevees, tandis que la seconde zone (B) correspond a des vitesses de gaz pouvant atteindre 30 m/s, et des densites de catalyseur plus faibles que dans la zone d'acceleration. Les types d'ecoulement sont tres differents dans chacune des zones. La zone d'acceleration (A) presente de fortes recirculations de catalyseur, et est souvent assimilee a une zone de type "parfaitement agitee", alors que la seconde zone (B) se rapproche davantage d'un ecoulement de type "piston". Dans la zone d'acceleration (A), les particules de catalyseur sont progressivement accelerees sous 1'effet a la fois de la vaporisation de la charge qui genere un courant gazeux, et sous 1'effet des reactions de craquage des gaz qui s'accompagnent d'une expansion molaire. La presente invention s'applique A. la zone d'acceleration (A) d'un riser d'unite de FCC, et vise a homogeneiser la repartition du catalyseur au sein de la dite zone. L'impact d'une repartition plus ou moins homogene du catalyseur au sein de la zone d'acceleration est important, car la majeure partie des reactions s'y deroulent, et it convient d'eviter autant que possible le phenomene de "seconde rencontre" du catalyseur avec la charge. Le terme de "seconde rencontre" designe un contact entre la charge fraiche et du catalyseur partiellement desactive par un depot de coke, puisque ayant deja rencontre une premiere fois la charge, provenant de la recirculation du catalyseur en paroi. Le catalyseur concentre en paroi redescend a contre-courant vers la zone d'injection de charge pour se melanger au catalyseur frais. On parle de recirculation (ou de "backmixing" ) dans le langage de 1'homme de metier. Ce type de contact est en grande partie responsable du developpement de reactions parasites conduisant a la production de coke et de gaz. Des mesures de densite du catalyseur effectuees dans la zone d'acceleration du riser d'une unite FCC ont montre que le catalyseur a tendance a se repartir preferentiellement A. la paroi du dit riser, tandis que le centre du riser est relativement appauvri en catalyseur. Le catalyseur concentre en paroi et insuffisamment accelere recircule vers la zone d'injection de charge. Cette repartition inegale peut etre combattue par des internes qui vont ramener le catalyseur de la peripherie vers le centre du riser et reduire les recirculations. Tel est l'objectif principal de la presente invention. L'invention consiste donc en un dispositif de redistribution du catalyseur ayant la forme generale d'un anneau continu (3) attenant a la paroi du riser (R1) d'une unite FCC, situe dans la zone d'injection (A) et determinant une section de passage reduite pour la suspension gaz solide en circulation, la dite section reduite ayant une valeur comprise entre 10 % et 70 % de la section du riser (R1), et preferentiellement comprise entre 30 % et 45% de la section du riser (Rl). Le dispositif de redistribution du catalyseur (3) sera positionne a une distance comprise entre 0,1 metre et 5 metres, et preferentiellement entre 2 metres et 4 metres au dessus du plan des injecteurs de charge (1). Lorsque 1'unite FCC est equipee d'injecteurs de type MTC (2), le systeme de redistribution du catalyseur sera avantageusement siue entre le plan des injecteurs de charge (1) et le plan des injecteurs de MTC (2). Un deuxieme dispositif de redistribution peut alors titre siue au-dessus de l'injection de MTC de maniere a obtenir 1'effet de repartition plus homogene du catalyseur A. la fois au niveau de la zone d'injection de charge, et au niveau de la zone de vaporisation du fluide utilise pour les injecteurs MTC. La forme du dispositif de redistribution (3) pourra varier de maniere assez large, mais sera generalement d'un des types decrits ci apres, en consideration de la section du dit dispositif de redistribution. Dans la suite de la description on parle de bord superieur pour designer le bord de la section du dispositif de redistribution siue au dessus du plan correspondant a la section reduite, et on parle de bord inferieur pour designer le bord de la section du dispositif de redistribution siue au dessous du plan correspondant a la section reduite. De maniere generale, les bords pourront titre entierement rectiligne, entierement curviligne, ou en partie rectiligne et en partie curviligne. Le bord superieur pourra ou non titre symetrique du bord inferieur. Forme 1: de type rectiligne, le bord superieur pouvant titre plus grand ou plus petit que le bord inferieur. Cette forme est illustree par la figure 2b qui montre une section triangulaire. Une section rectangulaire, telle qu'illustree par la figure 2 e, ou plus generalement polygonale comme illustre sur la figure 2g, reste parfaitement dans le cadre de 1'invention. Forme 2: de type curviligne, cette forme designant des bords de forme curviligne. Cette forme est illustree par la figure 2a qui montre une section circulaire. Une section ellipsoidale ou imparfaitement circulaire reste parfaitement dans le cadre de 1'invention. Forme 3 : de type mixte, c'est a dire avec un bord superieur rectiligne, et un bord inferieur curviligne, ou l'inverse, c'est a dire avec un bord superieur curviligne et un bord inferieur rectiligne. Cette forme est illustree par les figures 2c et 2d. Forme 4: Ce type regroupe des formes ayant des bords comportant a la fois une partie rectiligne et une partie curviligne. Ce type est illustre par la figure 2f qui montre un dispositif ayant un bord a la fois rectangulaire et curviligne. D'autres formes associant sur un meme bord une partie curviligne et une partie rectiligne rentrent dans le cadre de l'invention. Une telle forme est illustree par la figure 2h. Les formes preferees sont la forme triangulaire ( figure 2b), la forme rectangulaire ( figure 2 e), la forme curviligne ( figure 2a), et les formes illustrees par les figures 2c, 2d et 2h. Ainsi selon une premiere variante, le dispositif de redistribution du catalyseur selon l'invention aura une section de forme triangulaire. Selon une seconde variante, le dispositif de redistribution selon l'invention aura une section de forme curviligne, et preferentiellement circulaire. Selon une troisieme variante, le dispositif de redistribution selon l'invention aura une section de forme e rectangulaire. Selon une quatrieme variante, le dispositif de redistribution selon l'invention aura une section de forme rectangulaire puis circulaire. Selon une cinquieme variante, le dispositif de redistribution selon l'invention aura une section de forme rectangulaire puis triangulaire. Selon une sixieme variante, le dispositif de redistribution selon l'invention aura une section de forme rectangulaire puis curviligne. Selon une septieme variante, le dispositif de redistribution selon l'invention aura une section de forme en partie curviligne et en partie rectiligne. Le dispositif de redistribution selon l'invention devra resister autant que possible a 1'erosion consecutive au frottement avec la suspension gaz solide, et sera pour cette raison realise dans un materiau dur, generalement du beton refractaire, et de maniere pi-del-6e, sera realise dans un beton refractaire similaire a celui recouvrant la paroi interne du riser, et eventuellement renforce par une armature metallique interne. EXEMPLE SELON L'INVENTION Une experimentation a ete conduite sur une maquette reproduisant la circulation du catalyseur et des gaz a une echelle environ 1 / 5 de celle dune unite industrielle de FCC. Les dimensions principales de cette maquette ainsi que le debit de catalyseur et la vitesse de gaz dans le riser sont donnees ci dessous: hauteur du riser: 15 metres diametre interne du riser : 0,3 m Debit de catalyseur compris entre 30 tonnes/heure et 60 tonnes/heure Vitesse du gaz comprise entre 5 m/s et 12 m/s Flux de catalyseur compris entre 115 et 235 kg/m2.s Le catalyseur est constitue de particules de diametre moyen 72 microns, presentant une repartition granulometrique avec un pourcentage de particules inferieures a 40 microns egal a 15 % poids. La masse volumique des particules de catalyseur est de 1250 kg/m3. Les mesures de flux de catalyseur ont ete faites avec et sans dispositif de redistribution de redistribution, de maniere a apprecier son effet sur la repartition radiale du catalyseur. Pour cela, on a utilise une carne de prelevement, dite "isocinetique", de 8 mm de diametre interieur, qui permet de recuperer des echantillons de catalyseur a une cote verticale determinee le long du riser, et a differents niveaux de profondeur reperes par le parametre r/R qui a ete fixe aux valeurs suivantes: -1; -0,8; -0,6; -0,4; -0,2; 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 et 1 . La position r/R= 0 correspond au centre du riser. Les position r/R = 1 et r/R = -1 correspondent a la paroi du riser. Les autres positions sont des positions A. des profondeurs intermediaires. L'ensemble des positions permet de balayer la section consideree du riser selon un diametre complet. Le dispositif de redistribution est un anneau de section triangulaire. La distance separant la paroi du riser de la pointe du triangle est de 5 cm et determine une section reduite du riser de 44,4 %. Le dispositif de redistribution est place a 0,58 metre au dessus du plan des injecteurs. Cette distance de 0,58 metre correspond approximativement a une hauteur de 3 metres au dessus du plan des injecteurs dans une unite industrielle ayant un riser de 1,5 metre de diametre. Les courbes A (avec dispositif de redistribution) et B (sans dispositif de redistribution) de la figure 3 representent respectivement la repartition radiale du catalyseur avec et sans dispositif de redistribution, prises A. la cote 400 mm au dessus du niveau des injecteurs. Le flux de catalyseur est exprime en kg/m2.s rapporte au flux minimum qui se situe au centre du riser dans la configuration avec dispositif de redistribution. La courbe B (sans dispositif de redistribution) montre un flux de catalyseur inhomogene, tres nettement superieur a proximite de la paroi du riser. Par comparaison des courbes A et B, 1'effet d'aplatissement de la repartition du catalyseur du au dispositif de redistribution est tres nettement visible. I1 en resulte une probabilite de contact avec la charge vaporisee issue des injecteurs beaucoup plus homogene sur la section du riser dans le cas avec dispositif de redistribution (courbe A). De meme, le flux moyen de catalyseur avec dispositif de redistribution (moyenne courbe A) est inferieur au flux moyen de catalyseur sans dispositif de redistribution (moyenne courbe B), ce qui, pour les memes conditions operatoires, met en evidence une tres nette diminution des recirculations de catalyseur partiellement desactive vers la zone d'injection de charge dans le cas avec dispositif de redistribution (courbe A). In fine, une conversion plus importante en produits recherches est obtenue, notamment 1'essence et le gazole. Les courbes A et B de la figure 3 ont ete obtenues a une vitesse de gaz de 5m/s, et un debit de catalyseur de 33 tonnes /h correspondant a un flux moyen de catalyseur de 130 kg/m2.s. La vitesse de gaz Vg = 5m/s est representative de la vitesse reelle du gaz dans la zone de vaporisation d'une unite industrielle qui, rappelons le, varie a la fois en raison de la vaporisation de la charge et de la reaction de craquage (expansion molaire). Ces resultats experimentaux demontrent la meilleure homogeneite de la distribution du catalyseur dans la zone d'injection, la diminution du retromelange apporte par le dispositif de redistribution, qui se traduit par une amelioration de la conversion qui peut etre estimee a environ 1 % poids.5 REVENDICATIONS 1- Dispositif de redistribution du catalyseur a 1'interieur de la zone reactionnelle d'une unite de craquage catalytique dispose au dessus des injecteurs de charge, et ayant la forme generale d'un anneau continu attenant a la paroi du riser et faisant le tour de la dite paroi, caracterise en ce que la section offerte au passage du catalyseur dans la zone reduite du riser correspondant au dit dispositif, est comprise entre 10% et 70 % de la section du riser, et preferentiellement comprise entre 30% et 45%. 2- Dispositif de redistribution du catalyseur a 1'interieur de la zone reactionnelle dune unite de craquage catalytique selon la revendication 1, caracterise en ce que le dispositif de redistribution est situe a une hauteur comprise entre 0,1 et 5 metres, et preferentiellement comprise entre 2 et 4 metres au dessus du plan des injecteurs de charge. 3- Dispositif de redistribution du catalyseur a 1'interieur de la zone reactionnelle d'une unite de FCC selon rune quelconque des revendications 1 a 2, caracterise en ce que le dispositif de redistribution est situe dans la zone comprise entre le plan des injecteurs de charge et le plan des injecteurs MTC. 4- Dispositif de redistribution du catalyseur a 1'interieur de la zone reactionnelle d'une unite de FCC selon la revendications 1, caracterise en ce que le dispositif de redistribution est situe a une hauteur comprise entre 0,1 et 5 metres, et preferentiellement comprise entre 2 et 4 metres au dessus du plan des injecteurs MTC. 25 5- Dispositif de redistribution du catalyseur a 1'interieur de la zone reactionnelle d'une unite de FCC selon dune quelconque des revendications 1 a 4, caracterise par la presence de deux dispositifs de redistribution, le premier situe entre le plan des injecteurs de charge et le plan des injecteurs MTC, et le second situe a une hauteur comprise entre 0,1 et 5 metres, et 30 preferentiellement comprise entre 2 et 4 metres au dessus du plan des injecteurs MTC. 20 6- Dispositif de redistribution du catalyseur a 1'interieur de la zone reactionnelle dune unite de FCC selon Tune quelconque des revendications 1 a 5 caracterise en ce que la section du dispositif de redistribution a une section de forme triangulaire. 7- Dispositif de redistribution du catalyseur a 1'interieur de la zone reactionnelle dune unite de FCC selon rune quelconque des revendications 1 a 5 caracterise en ce que la section du dispositif de redistribution a une section de forme curviligne, et preferentiellement circulaire. 8- Dispositif de redistribution du catalyseur a 1'interieur de la zone reactionnelle dune unite de FCC selon rune quelconque des revendications 1 a 5 caracterise en ce que la section du dispositif de redistribution a une section de forme rectangulaire. 9-Dispositif de redistribution du catalyseur a 1'interieur de la zone reactionnelle dune unite de FCC selon rune quelconque des revendications 1 a 5 caracterise en ce que la section du dispositif de redistribution a une section de forme rectangulaire puis circulaire. 10-Dispositif de redistribution du catalyseur a 1'interieur de la zone reactionnelle d'une unite de FCC selon rune quelconque des revendications 1 a 5 caracterise en ce que la section du dispositif de redistribution a une section de forme rectangulaire puis triangulaire. 11-Dispositif de redistribution du catalyseur a 1'interieur de la zone reactionnelle dune unite de FCC selon rune quelconque des revendications 1 a 5 caracterise en ce que la section du dispositif de redistribution a une section de forme rectangulaire puis curviligne. 12- Dispositif de redistribution du catalyseur a 1'interieur de la zone reactionnelle d'une unite de FCC selon dune quelconque des revendications 1 a 5 caracterise en ce que la section du dispositif de redistribution a une section de forme mixte, c'est a dire en partie curviligne et en partie rectiligne. 13- Dispositif de redistribution du catalyseur a 1'interieur de la zone reactionnelle d'une unite de FCC selon rune quelconque des revendications 1 a 12 caracterise en ce que le dispositif de redistribution est realise dans un materiau dur, preferentiellement un beton refractaire similaire a celui utilise pour revetir la paroi interne du riser et eventuellement renforce par une armature metallique interne. 20