Brevet FR2929287A1 — publié le 20091002

PROCÉDÉ D'OBTENTION D'HYDROCARBURES LIQUIDES DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention propose un procédé d'obtent=_on d'hydrocarbures liquides à partir du charbon (charbon brun et charbon bitumineux, schiste bitumineux, lignite), qui peut. être employé dans l'industrie de la chimie du charbon. CONTEXTE DE L'INVENTION Les technologies actuelles d'extraction d'un combustible liquide à partir du charbon peuvent de manière générale être scindées en deux groupes : la liquéfaction directe du charbon, dans laquelle le processus d'hydrogénation et de craquage, qui utilise divers catalyseurs et solvants donneurs d'hydrogène, implique un chauffage sous pression et aboutit à une sortie directe de combustible liquide ; et, en variante, un processus en deux étapes dans lequel du charbon est exposé à une gazéification par vapeur d'eau et oxygène, qui aboutit à un produit gazeux synthétisé, suivie par un traitement catalytique de manière à produire un carburant pour moteur. Un procédé connu est, par exemple, un procédé d'hydrogénation du charbon utilisant de l'hydrogène pressurisé sous une pression comprise entre 5,0 MPa et 10,0 MPa en présence de solvants organiques et de catalyseurs hydratant cui contiennent du Mo et du Fe, à des températures comprises entre 400°C et 425°C (Brevet SU-355.867, classe C10G 1/06). Un autre procédé connu est un procédé de liquéfaction du charbon, en présence d'hydrogène atomique qui est formé sous l'impact d'ultrasons sur de l'hydrogène moléculaire (Brevet JP-58/35.247, classe C10G 1/06). L'utilisation d'une fraction d'hydrocarbure léger, séparé des produits obtenus par l'hydrogénation du charbon avec un point d'ébullition qui se situe dans la plage comprise entre 35°C et 200°C, comme solvant donneur d'hydrogène, est également connue (Demande de brevet GB-2.085.913, classe C10G 1/06, 1982). Un autre procédé connu est un procédé de conversion du charbon en produits liquides en le mélangeant à des solvants qui sont eux-mêmes un mélange d'hydrocarbures hydroaromatiques thermiquement stables sous une température et une pression élevées (Brevet US-4.081.351, classe 208-8, 1978). Un autre procédé connu est un procédé de craquage et d'hydrogénation thermomécaniques du charbon sous une température et une pression élevées (Brevet US-4.250.015, 1981). Parmi les inconvénients que présentent ces procédés connus, il est possible de citer leur consommation en énergie relativement élevée et leur complexité technologique, qui impliquent l'emploi de catalyseurs coûteux et hautement spécifiques, et qui nécessitent en outre des températures et des pressions élevées, toutes ces exigences se traduisant par des produits finaux qui affichent un coût net élevé. Un autre procédé connu utilise un dispositif de mélangeage statique intégré, composé d'un corps cylindrique dans lequel débouchent des conduites d'entrée et de sortie des milieux traités, mélangeur dans la cavité duquel sont formées des turbulences à partir d'hélices, suivies de lames plates, de pales et d'aubes de formes complexes où, en raison de certains agencements, l'ampleur de l'homogénéisation des milieux traités est améliorée, étant donné que certains des éléments � préparent � l'écoulement des autres (Brevet US-4.461.579, BO1F 5/00, 1984). Ledit dispositif de mélangeage est très complexe et ne fournit pas un niveau d'homogénéisation élevé en raison de l'absence de cavernes de cavitation et de la formation de micro-bulles. En outre, ledit dispositif de mélangeage est caractérisé par sa résistance hydraulique élevée. Les facteurs précités nuisent à la productivité d'un appareil. Il est également connu un appareil de cavitation dans le corps duquel est placé un dispositif de cavitation, ledit dispositif présentant la forme d'une ro.le perforée dotée d'aubes clavetées (Brevet N 1.353.858, D21B 1/36, 1985). Un inconvénient de ce dispositif de mélangeage réside encore dans sa faible efficacité, principalement en raison du fait qu'à l'intérieur du flux qui se situe en aval du dispositif de cavitation, les processus de formation des micro-bulles et de leur destruction se développent très lentement et que leur quantité est insuffisante pour créer des effets et c.es phénomènes d'onde non linéaires dans des milieux à plusieurs phases. Il est également connu un procédé qui présente certaines similitudes avec le procédé proposé, qui est un procédé de craquage et d'hydrogénation thermomécaniques d'hydrocarbures en présence d'hydrogène libéré chimiquement, mis en application au moyen d'éléments de broyage par frottement dans une couche fluidisée de particules finement broyées. Dans ce procédé, les processus mécaniques à l'intérieur de la couche fluidisée sont accompagnés par un dégagement de chaleur qui contribue au processus de craquage, en plus de l'impact mécanique sur la substance, ce quai se traduit par une exécution du craquage et de l'hydrogénation à une température et à une pression plis basses en comparaison des autres processus de craquage et d'hydrogénation connus (Brevet RU-2.131.903, classe ClOG :L/0S, 47/30, 1995). Les inconvénients du procédé précité concernent l'impact des éléments de broyage par frottement (en particulier celui de billes en acier) sur les particules solides de matériau carboné, qui est insuffisant pour un broyage ultra- fin, et conduit à une exposition incomplète des grains de matériau carboné, et par conséquent à une implication incomplète du carbone dans le processus d'hydrogénation, en aboutissant à une sortie réduite des fractions de produit requis produites par le processus de liquéfaction. Des inconvénients intrinsèques dudit procédé comprennent : la nécessité d'utiliser des volumes d'eau considérables pour aider à produire la quantité d'hydrogène appropriée requise par le processus d'hydrogénation ; et le fait qu'il en résulte une teneur en vapeur assez élevée du produit craqué conduisant à une teneur en eau importante dans les produits de fractions légères finaux. RÉSUMÉ DE L'INVENTION Il est possible d'utiliser l'invention dans l'industrie de la chimie du charbon. Le craquage et l'hydrogénation des matières premières sont réalisés en présence d'un milieu liquide donneur d'hydrogène à l'intérieur d'une unité de cavitation hydrodynamique fonctionnant selon un mode d'oscillations résonnantes non linéaire. Comme milieu donneur d'hydrogène, on propose d'utiliser de l'eau activée, et un mélange de fractions qui bouillent facilement ayant une température d'ébullition comprise entre 30°C et 120°C, et un résidu recyclé de post-fractionnement ayant: des températures d'ébullition comprises entre 400°C et 650°C et des températures de solidification comprises entre 18°C et 22°C. Ledit procédé permet de simplifier la technologie de craquage et d'hydrogénation des matières premières dans le processus d'obtention d'hydrocarbures liquides qui peuvent être utilisés en tant que carburants pour moteurs, et il offre une amélioration de la qualité des produits finaux ainsi qu'une amélioration impertante de la capacité de traitement globale 3u complexe. Deux illustrations sont jointes. L'invention propose un procédé visant à : a) intensifier le processus de broyage ultra-fin des particules solides du matériau traité ; b) intensifier les processus d'échange chaleur-masse au cours de leur traitement dans un réacteur de cavitation hydrodynamique qui fonctionne dans un mode d'oscillations résonnantes non linéaire en présence d'un milieu liquide donneur d'hydrogène ; et c) accroître également :e rendement des fractions de carburant essence avec des températures d'ébullition comprises entre 100°C et 200°C et des fractions de carburant diesel avec des températures d'ébullition comprises entre 200°C et 450°C. Le procédé proposé pour obtenir des hydrocarbures liquides à partir du charbon, par l'intermédiaire d'un craquage et d'une hydrogénation du carbone, permet d'obtenir ces résultats exceptionnels en traitant le milieu traité dans un système à deux phases, une � phase matières premières et une phase en milieu liquide donneur d'hydrogène �, réalisées dans un dispositif de cavitation hydrodynamique fonctionnant selon un mode d'oscillations résonnantes non linéaire. L'eau est utilisée en tant que solvant donneur d'hydrogène, et est immédiatement activée au cours du traitement dans le système à deux phases à l'aide desdits générateurs oscillants hydrodynamiques de cavitation. Un mélange d'une fraction ayant une température d'ébullition limite comprise entre 30°C et 120°C et d'un résidu recyclé de post-fractionnement ayant des températures de solidification comprises entre 18°C et 22°C et des températures d'ébullition comprises entre 400°C et 650°C est également utilisé en tant que solvant donneur d'hydrogène. L'utilisation d'un résidu asphaltique traité ou d'une eau traitée magriétiquement en tant que solvant donneur d'hydrogène qui sera également activé au cours du traitement, est tout à fait efficace. Un ensemble de dispositifs est utilisé en tant cue réacteur pour favoriser le processus de traitement du système à deux phases dans les conditions d'une cavitation complètement développée dans un mode d'oscillations résonnantes non linéaire, par exemple grâce à des générateurs oscillants hydrodynamiques de cavitation. Le principe de fonctionnement desdits générateurs oscillants hydrodynamiques de cavitation est fondé sur l'utilisation partielle de l'énergie d'écoulement du liquide fourni par une pompe pour une mise en application des effets et des phénomènes de cavitation dans le volume de milieu traité. La. conception du dispositif est telle que celui- ci ne contient pas de pièces tournantes ou mobiles, ni de circuits électriques, ce qui permet d'obtenir une fiabilité élevée et une longue durée de vie d'exploitation tout en minimisant la nécessité d'une maintenance aussi longtemps qu'il est en service. La conception et le principe de fonctionnement des générateurs oscillants hydrodynamiques de cavitation permettent d'obtenir une cavitation qui se matérialise efficacement et un impact de déplacement des ondes sur le milieu à plusieurs phases traité ainsi qu'une mise en application des effets et des phénomènes résonnants non linéaires particuliers dans son volume qui intensifient brutalement les processus d'échange chaleur-masse. La fréquence d'oscillation f requise pour le processus de traitement et l'écoulement de fluide à travers le dispositif de cavitation hydrodynamique fourni par l'unité de pompage sent déterminés conformément aux caractéristiques du milieu à plusieurs phases traité. Le liquide est délivré par l'intermédiaire d'orifices d'entrée tangentiels à la chambre cylindrique intérieure du dispositif, ce qui se traduit par la formation de poches de cavitation d'un rayon défini à partir desquelles périodiquement, à la fréquence d'oscillation f, des cavités se détachent et sont: amenées par le flux vers la zone de pression accrue du canal de sortie où les bulles de cavitation s'effondrent, en générant des oscillations qui présentent une certaine fréquence et une certaine amplitude. Le long de l'axe de la cavité se crée une zone de pression réduite (de raréfaction) dans laquelle, pour certaines températures, une évaporation des fractions correspondantes peut être organisée. Une destruction des inclusions et des agglomérats de dispersion se produit au cours du traitement de cavitation tandis que des percussions hydrauliques et des charges thermiques, des micro-flux et des micro-courants cumulatifs provoquent de profondes modifications physico-chimiques à l'intérieur du liquide de transport et de la phase de dispersion (électrification, craquage de molécule, ionisation, rupture des chaînes à poids moléculaire élevé, formation de radicaux libres, etc.) L'apparition et le développement d'une cavitation dans des pores, des fissures et des espaces intergranulaires des particules solides, stimulent leur destruction intensive et l'activation résultante. En raison des processus thermodynamiques des gaz à l'intérieur d'une bulle de cavitation effondrée, la pression et la température montent en conséquence jusqu'à plus de 102 MPa et jusqu'à 104 K. Une accélération du processus en cas d'une cavitation complètement développée se produit en raison d'une distribution d'énergie discrète au niveau de grandes quantités de centres de cavitation. Dans un tel cas, l'énergie se concentre dans des volumes dimensionnés selon les dimensions des bulles de cavitation (entre 1 micromètre et 100 micromètres), ce qui intensifie brutalement le processus, fixe un niveau important d'écrasement avec une expansion de la superficie particulière des particules solides et une amélioration de leur capacité de réaction, en intensifiant le processus de décomposition thermochimique de l'eau, ce qui se traduit par des processus de formation d'hydrogène atomique et de craquage dans lesquels les hydrocarbures et les radicaux lourds sont décomposés en minuscules molécules à faible point d'ébullition. L'agrégat des effets de cavitation primaires et secondaires permet une intensification brutale des processus de craquage et d'hydrogénation. La présente invention a ainsi pour premier objet un procédé d'obtention d'hydrocarbures liquides à partir du charbon par un craquage et une hydrogénation thermomécaniques, caractérisé par l'exécution d'un craquage et d'une hydrogénation thermomécaniques dans un système à deux phases : une � phase matières premières et une phase en milieu liquide donneur d'hydrogène �, se produisant dans une zone de cavitation complètement développée dans un mode d'oscillations résonnantes non linéaire créées par des générateurs oscillar..ts hydrodynamiques dans lesquels l'eau activée à l'intérieur du même système ainsi qu'un mélange de fractions bouillant facilement ayant des températures d'ébullition limite comprises entre 30°C et 120°C et de résidu recyclé de post-fractionnement ayant des températures de solidification comprises entre 18°C et 22°C et des températures d'ébullition limite comprises entre 400°C et 650°C sont utilisés en tant que donneur d'hydrogène dans la phase en milieu liquide donneur d'hydrogène. De manière particulièrement avantageuse, le procédé selon l'invention es: caractérisé par un craquage et une hydrogénation thermomécaniques dans un système à deux phases, une � phase matières premières et une phase en milieu liquide donneur d'hydrogène �, réalisées dans un mode d'auto-oscillations, en générant des oscillations hydrodynamiques de pression dans la bande de fréquences comprise entre 6 Hz et 50000 Hz, et avec un débit de mélange Q à travers le générateur oscillant hydrodynamique selon l'expression : 6d2 d=(4S)d/2 n S est la superficie en coupe d'au moins un canal d'entrée (exprimée en m2), n = 3,1415. Selon un autre mode de mise en oeuvre de ce procédé, les produits de réaction raffinés après un craquage et une hydrogénation thermomécaniques sont amenés à des réacteurs- rectificateurs hydrodynamiques de cavitation, chacun d'eux étant installé pour une séparation de fraction requise (par exemple du carburant essence ou du carburant diesel) grâce à son évaporation dans la zone de raréfaction de caverne de cavité pour certains paramètres de température et de pression. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les caractéristiques, la nature et les avantages de la présente invention ressortiront de manière plus évidente de la description détaillée présentée ci-dessous, étudiée en association avec les dessins. La Figure 1 est un schéma d'un premier mode de réalisation de la présente invention dans lequel on utilise une colonne de 5 rectification. La Figure 2 est un schéma d'un deuxième mode de réalisation de la présente invention dans lequel on utilise des réacteurs-rectificateurs. 10 DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION Le procédé peut être mis en application de deux manières selon que l'on choisit l'une ou l'autre des deux configurations optionnelles présentées dans les schémas de principe illustrés 15 dans la Figure 1 et dans la Figure 2, voire d'autres options de configuration. Option 1 Dans la première configuration, la matière première solide 20 primaire est amenée par l'intermédiaire de la canalisation 1. à un broyeur 2 où elle est broyée aux dimensions requises et, par l'intermédiaire de la canalisation 3, avec de l'eau amenée par l'intermédiaire de la canalisation 4, avec une fraction ayant des températures d'ébullition comprises entre 30°C et 120°C 25 fournie par l'intermédiaire de la canalisation 15 et avec un résidu de recyclage ayant des températures de solidification comprises entre 18°C et 22°C et des températures d'ébullition comprises entre 400°C et 650°C amené par l'intermédiaire de la canalisation 18, elle alimente un mélangeur 5 dont la sortie 30 est reliée, par l'intermédiaire de la canalisation 6, à un réacteur hydrodynamique de cavitation 7, où se déroulent les processus de traitement du mélange à plusieurs composants à plusieurs phases fourni au réacteur et traité selon un mcde opérationnel d'oscillations résonnantes non :inéaire (y compris 35 l'activation de l'eau), et de craquage et d'hydrogénation thermomécaniques. Les particules solides, y compris les cendres, sont acheminées jusqu'à un récepteur de stockage 9, par l'intermédiaire de la canalisation 8. Les produits de réaction sont amenés, par l'intermédiaire de la canalisation 10, à un séparateur 11 où toutes les particules solides, y compris les cendres, sont séparées et acheminées vers le récepteur 9, par l'intermédiaire de la canalisation 12. Les produits de réaction raffinés sont dirigés, par l'intermédiaire de la canalisation 13, vers une colonne de rectification 14 d'où la fraction ayant des températures d'ébullition comprises entre 30°C et 120°C est renvoyée vers le mélangeur 5 par l'intermédiaire de la canalisation 15, la fraction de carburant essence ayant des températures d'ébullition comprises entre 100°C et 200°C étant évacuée par l'intermédiaire de la canalisation 16, la fraction de carburant diesel ayant des températures d'ébullition comprises entre 200°C et 450°C étant évacuée par l'ir. termédiaire de la canalisation 17 tandis que, par l'intermédiaire de la canalisation 18, la fraction ayant des températures d'ébullition comprises entre 400°C et 650°C et une température de solidification comprise entre 18°C et 22°C est en partie renvoyée vers le mélangeur 5 et en partie disponible en tant que produit secondaire fini à des fins de consommation. Option 2 Dans une deuxième configuration, la matière première solide primaire est amenée par l'intermédiaire de la canalisation 1 à un broyeur 2 où elle est broyée aux dimensions requises et, par l'intermédiaire de la canalisation 3, avec de l'eau amenée par l'intermédiaire de la canalisation 4, avec une fraction ayant des températures d'ébullition comprises entre 30°C et 120°C fournie par l'intermédiaire de la canalisation 18 et avec un résidu de recyclage ayant des températures de solidification comprises entre 18°C et 22°C et des températures d'ébullition comprises entre 400°C et 650°C amené par l'intermédiaire de la canalisation 19, elle alimente un mélangeur 5 dont la sortie est reliée, par l'intermédiaire de la canalisation 6, à un réacteur hydrodynamique de cavitation 7, o.l se déroulent :Les processus de traitement du mélange à plusieurs composants à plusieurs phases fourni au réacteur et traité selon un mode opérationnel d'oscillations résonnantes non linéaire (y compris l'activation de l'eau), et de craquage et d'hydrogénation thermomécaniques. Les particules solides, y compris les cendres, sont acheminées vers un récepteur de stockage 9, par l'intermédiaire de la canalisation 8. Les produits de réaction sont amenés, par l'intermédiaire de la canalisation 10, à un séparateur 11 où toutes les particules solides, y compris ].es cendres, sont séparées et acheminées vers le récepteur 9, par l'intermédiaire de la canalisation 12. Les produits de réaction raffinés sont dirigés, par l'intermédiaire de la canalisation 13, vers des réacteurs-rectificateurs hydrodynamiques de cavitation 14 et 15, chacun d'eux étant installé pour une séparation de fraction requise (par exemple un carburant essence dans le réacteur-rectificateur 14 et un carburant diesel dans le réacteur-rectificateur 15) grâce à son évaporation dans la zone de raréfaction de cavité pour certains paramètres de température et de pression. À partir desdits réacteurs-rectificateurs 14 et 15, la fraction ayant des températures d'ébullition comprises entre :30°C et 120°C est renvoyée vers le mélangeur 5 par l'intermédiaire de la canalisation 18, alors que, par l'intermédiaire de la canalisation 19, la fraction ayant des températures d'ébullition comprises entre 400°C et 650°C et des températures de solidification comprises entre 18°C et 22°C est en partie renvoyée vers le mélangeur 5 et en partie disponible en tant que produit secondaire fini à des fins de consommation, tandis que, par l'intermédiaire de la canalisation 16, la fraction de carburant essence qui bout à une température comprise entre 100°C et 200°C est évacuée du réacteur-rectificateur 14 et que, par l'intermédiaire de la canalisation 17, la fraction de carburant diesel ayant des températures d'ébullition comprises entre 200°C et 450°C est évacuée du réacteur-rectificateur 15. Les configurations sont fournies dans ce document de manière à perme::tre aux hommes de l'art de faire usage de la présente invention. Diverses modifications apportées à ces configurations apparaîtront de manière tout à fait évidente aux hommes de l'art, et les principes et les concepts génériques définis dans ce document peuvent être appliqués à d'autres configurations sans pour autant s'écarter de la portée de l'invention. Ainsi, il n'est pas prévu que la présente invention se limite aux configurations décrites dans ce document et il convient donc de lui accorder la portée la. plus large pour le traitement du charbon. REVENDICATIONS1. Procédé d'obtention d'hydrocarbures liquides à partir du charbon par un craquage et une hydrogénation thermomécaniques, caractérisé par l'exécution d'un craquage et d'une hydrogénation thermomécaniques dans un système à deux phases : une � phase matières premières et une phase en milieu li.qu:_de donneur d'hydrogène �, se produisant dans une zone de cavitation complètement développée dans un mode d'oscillations résonnantes non linéaire créées par des générateurs oscillants hydrodynamiques dans lesquels l'eau activée à l'intérieur du même système ainsi qu'un mélange de fractions bouillant facilement ayant des températures d'ébullition limite comprises entre 30°C et 120°C et de résidu recyclé de post-fractionnement ayant des températures de solidification comprises entre 1E°C et 22°C et des températures d'ébullition limite comprises entre 400°C et 650°C sont utilisés en tant que donneur d'hydrogène dans la phase en milieu liquide donneur d'hydrogène. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par un craquage et une hydrogénation thermomécaniques dans un système à deux phases, une � phase matières premières et une phase en milieu liquide donneur d'hydrogène �, réalisées dans un mode d'auto-oscillations, en générant des oscillations hydrodynamiques de pression dans la bande de fréquences comprise entre 6 Hz et 50000 Hz, et avec un débit de mélange Q à travers le générateur oscillant hydrodynamique selon l'expression : 6d2 5Q560d2 , où Q est le débit à travers le_ générateur oscillant hydrodynamique (exprimé en m3/s), d est le diamètre équivalent du canal d'entrée (exprimé en m), d_( 4S )ii2 , n S est la superficie en coupe d'au moins un canal d'entrée(exprimée en m2), n = 3,1415. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les produits de réaction raffinés après un craquage et une hydrogénation thermomécaniques sont amenés à des réacteurs-rectificateurs hydrodynamiques de cavitation, chacun d'eux étant installé pour une séparation de fraction requise (par exemple du carburant essence ou du carburant diesel) grâce à son évaporation dans la zone de raréfaction de caverne de cavité pour certains paramètres de température et de pression. 14