Brevet FR2979255A1 — publié le 20130301

REGENERATEUR POUR UNITE DE CRAQUAGE CATALYTIQUE A CYCLONES EXTERNES La présente invention concerne un régénérateur à lit fluidisé de taille réduite à cyclones externes pour une unité de craquage catalytique (FCC), sa mise en oeuvre dans un procédé de craquage catalytique et son utilisation comme régénérateur d'unités nouvelles ou encore en remplacement de régénérateurs de grande taille. Il s'agit ici de transformer la conception des régénérateurs d'unités de craquage catalytique, contenant un lit fluidisé, pour lesquelles il était nécessaire de fabriquer des régénérateurs suffisamment longs pour favoriser le désengagement des particules solides entrainées par le gaz et assez larges au niveau de la phase diluée du lit fluidisé dans le régénérateur pour y disposer des cyclones permettant la séparation gaz/particules solides tout en limitant l'augmentation de la vitesse superficielle des gaz. En effet, lorsque des particules solides sont fluidisées par un gaz, la concentration de particules qui sont entrainées en dehors de l'enceinte dépend de la hauteur de celle-ci et de la vitesse superficielle du gaz de fluidisation. Pour une vitesse de gaz donnée, la concentration des particules dans le gaz diminue avec la hauteur au dessus du niveau du lit fluidisé dense jusqu'à atteindre une valeur minimale limite. La hauteur minimale nécessaire pour atteindre cette concentration limite est la hauteur de désengagement, plus communément connue de l'homme du métier par l'acronyme anglais TDH (transport disengaging height). Depuis de longues années la préoccupation des industriels a été d'optimiser la séparation des gaz récupérés à partir d'un mélange fluidisé gaz/solide, et de nombreux brevets ont été déposés pour différentes structures de cyclones ou séparateurs destinés à être placés au sein de la phase fluidisée peu dense du régénérateur. Il s'agit, habituellement, de deux étages de cyclones en série, chaque étage étant constitué de plusieurs cyclones en parallèle. On appelle les cyclones du premier étage, cyclones primaires et ceux du deuxième étage, cyclones secondaires. Cependant, ces cyclones s'usent rapidement lorsque la quantité et/ou la vitesse des particules solides entraînées par les gaz est importante, les dites particules ayant un effet abrasif sur la paroi interne des dits cyclones. Ainsi lorsque, l'entrainement des particules est important, l'érosion des cyclones, notamment des cyclones secondaires, est une des principales causes d'arrêt inopiné des unités de craquage catalytique. Actuellement, les solutions utilisées pour limiter ce phénomène consistent habituellement à augmenter la taille des régénérateurs. En effet, les régénérateurs de FCC sont souvent dimensionnés pour que, à une vitesse de gaz donnée, la hauteur au dessus du lit dense soit au moins égale à la TDH. Ceci permet de minimiser la quantité de solide qui doit être séparée du gaz par les cyclones. Par ce moyen, on obtient une diminution de pertes de catalyseur solide et un allongement de la durée de vie des cyclones. Dans certaines autres configurations, le diamètre du régénérateur, au-dessus du niveau du lit fluidisé, peut aussi être augmenté, toujours pour compenser la surface occupée par les cyclones et empêcher toute augmentation de la vitesse du gaz susceptible d'accroître la quantité de particules entrainées jusqu'aux cyclones. Ces deux solutions ont néanmoins un effet limité et se traduisent par des coûts de fabrication importants. Pour remédier à ces problèmes d'efficacité limitée, aux coûts de remplacement non négligeable des cyclones, et aux coûts liées à la construction d'un régénérateur de taille importante, la demanderesse a choisi d'utiliser des dispositifs ou internes efficaces de séparation des gaz d'avec les particules solides entrainées, permettant de limiter l'accélération de la vitesse des gaz tout en ralentissant très fortement celle des particules solides, ces dispositifs ou internes étant de préférence situés dans la phase diluée du régénérateur. Dans le domaine des régénérateurs de FCC, diverses configurations permettant de diminuer l'entrainement de solide ont été proposées. Le brevet US6503460 décrit un régénérateur de FCC à contrecourant équipé d'un interne dans la phase dense du lit fluidisé. Alors que l'objectif principal de l'interne est d'améliorer le contact entre les phases, une réduction de l'entrainement de particules solides a aussi été observée. Cette diminution est attribuée à la diminution du diamètre des bulles ascendantes des gaz traversant l'interne dans la phase dense, juste avant leur éclatement en surface du lit catalytique dense. Le brevet US 7829750 présente un régénérateur de FCC dont le diamètre de la phase diluée du lit fluidisé a été augmenté pour limiter la vitesse superficielle du gaz. Dans ce cas, un interne est placé à la base de l'élargissement. D'après ce brevet, l'utilisation simultanée de ces 2 solutions permet de limiter l'entrainement de particules solides. Cette solution est particulièrement appliquée aux lits catalytiques présentant une concentration en particules de moins de 40 microns, inférieure à 2%. Dans le brevet US 3851405, on dispose des barres ou des tubes disposés à des intervalles fixes, la fonction de ces barres ou tubes étant de ralentir la vitesse des particules qui volent au-dessus du mélange fluidisé. L'intervalle entre chaque interne et son plus proche voisin tombe dans l'intervalle de 0,005 à 0,3 fois la hauteur du lit fluidisé et le rapport de la surface de projection de l'ensemble des internes sur la surface de section du réacteur n'est pas moins grand que 0,5. Dans le brevet EP49130, le dispositif permettant de réduire le nombre de particules entraînées dans le gaz, est un interne placé dans une zone libre du réacteur dont le rapport de la surface projetée sur la section du réacteur n'est pas moins que 0,8 et dont le rapport de l'ouverture sur la surface de la section non occupée du réacteur varie de 0,3 à 0,9. Un tel interne est obtenu par l'association de disques et d'anneaux, de corps en rotation et/ou un assemblage de lames inclinées pour prévoir une évacuation descendante des grains. Dans le brevet US2728632, l'interne disposé dans le réacteur est constitué d'une couche de plaques parallèles entre elles de largeur telle que le rapport de leur largeur sur le diamètre du réacteur dans lequel elles sont installées est de 4 :1. Ici, l'objectif recherché est de faire monter les gaz diagonalement dans le réacteur et d'obliger les solides entraînés à rencontrer les plaques, le contact permettant le ralentissement de la vitesse des solides qui retombent finalement le long de chacune des plaques. De tels dispositifs de l'art antérieur ont permis de limiter l'entrainement de solides mais sans pour autant permettre la diminution de la taille des régénérateurs. Les contraintes liées à la fabrication des unités de grande taille en termes de coût et d'ingénierie sont donc restées inchangées. Parallèlement, si la diminution de l'entrainement n'est pas suffisamment importante, de tels dispositifs nécessitent l'utilisation de deux étages de cyclones. Les problèmes de fiabilité liés à l'utilisation de cyclones secondaires ne peuvent donc pas être complètement exclus. Ce manque de fiabilité des cyclones secondaires favorise les arrêts d'unités coûteuses en coût de réparation et surtout en temps d'arrêt de production. La demanderesse a donc préconisé un procédé de séparation des particules du gaz issu d'un lit fluidisé qui consiste à couvrir la plus grande surface possible de la section du réacteur au moyen d'un interne en vue de rabattre le maximum de particules vers le lit tout en limitant la surface passante occupée par celui-ci à tous niveaux perpendiculairement à l'axe du dit réacteur, pour obtenir la plus grande surface de passage possible et réduire au maximum l'augmentation de la vitesse du gaz. La présente invention a donc pour objet un régénérateur pour unité de craquage catalytique formé d'un réacteur comprenant une première partie destinée à être occupée par le lit fluidisé dense de catalyseur et une deuxième partie disposée au-dessus de la première destinée à être occupée par un lit fluidisé de faible densité ou dilué en particules de catalyseur, la dite deuxième partie comprenant un interne recouvrant par projection sur le plan de la section du dit réacteur au moins 80% de la dite section libre du réacteur, perpendiculaire au sens de circulation des mélanges gaz/particules solides, le dit régénérateur étant équipé d'au moins un cyclone pour la séparation gaz/solides du mélange issu du lit à faible densité, le dit cyclone étant placé à l'extérieur du dit régénérateur, sur la ou les conduites de sortie des gaz dudit régénérateur. Dans le cadre de la présente description, par particules solides, on entend tout type de matériaux utilisés dans des mélanges fluidisés, mais on parlera avantageusement de particules solides des catalyseurs comme on trouve habituellement dans les unités de FCC. De même, on entend par section du réacteur, le plan perpendiculaire à l'axe du dit réacteur, et donc au sens de circulation des mélanges gaz/solides. La section libre du réacteur est la surface de passage laissée libre sur le plan de la section du dit réacteur, hors équipement interne (cyclones, conduites tubulaires, autres dispositifs usuels). L'avantage premier de l'invention est de faire jouer à l'interne le rôle d'un séparateur primaire comme celui actuellement joué par un ou plusieurs cyclone(s) souvent de grande taille, enfermé(s) dans le régénérateur. Plus la quantité de particules solides retenues par l'interne dans le réacteur est grande, moins il est nécessaire de séparer les dernières particules dans des cyclones à l'intérieur de celui-ci. Un autre avantage est de pouvoir installer un interne recouvrant la totalité de la section du régénérateur sans se préoccuper de laisser de la place aux cyclones, ce qui constitue un gain économique certain lié à la diminution de la hauteur et donc du volume du régénérateur. En effet, le critère de hauteur définie par la TDH, ne serait plus à respecter car la concentration en solides après l'interne est sensiblement inférieure à celle qui aurait pu être atteinte, sans interne, en respectant le critère de TDH. En utilisant un interne convenablement choisi et placé de façon à couvrir la totalité de la surface du lit fluidisé dans sa partie la moins dense, l'entrainement de particules solides peut être réduit de façon importante juste après l'interne. De ce fait, la hauteur de la phase diluée peut être fortement réduite et par conséquent, celle du régénérateur aussi, qui ne contiendra presque plus que la phase dense du lit, le besoin en séparateur cycloniques disposés dans le régénérateur devenant quasi nul. Ainsi, un seul étage de cyclones disposés à l'extérieur du régénérateur peut permettre de réduire les pertes de particules solides aux niveaux attendus généralement en sortie du régénérateur. Le gaz en sortie du régénérateur équipé d'un interne étant faiblement chargé en particules solides, le (ou les )cyclone (s) disposés en sortie est (sont) moins soumis à des problèmes d'érosion communément rencontrés dans des unités de craquage catalytique . L'invention concerne donc un régénérateur de FCC qui serait non seulement plus petit mais aussi plus fiable que les régénérateurs à lit bullant classiques. Un autre avantage de l'invention est qu'en déplaçant les cyclones l'extérieur du régénérateur et en diminuant la quantité des particules envoyés vers ceux-ci, l'unité est moins sensible, en termes de fiabilité, à l'augmentation du débit d'air introduit pour la combustion du coke présent sur le catalyseur. Ainsi, il est possible d'augmenter plus facilement la capacité des unités et donc leur rendement. Dans un mode préféré de l'invention, le régénérateur comprendra au moins deux cyclones externes, et de façon plus particulière et avantageuse un ou plusieurs étages de cyclones disposés en série, chaque étage étant composé d'un nombre de cyclones variant de 1 à 10. L'interne recouvrant une grande partie de la section du régénérateur, celui-ci sera disposé avantageusement au-dessus du lit dense à une hauteur h de la surface du lit fluidisé dense telle que le rapport de cette hauteur sur la hauteur du fluidisé dense Hi varie de 0.05 à 1.5. Le lit fluidisé dilué peut se caractériser par son taux de vide. Ce dernier est défini comme étant le rapport du volume de gaz sur le volume total du mélange fluidisé. On définira donc une phase dense du mélange fluidisé comme étant celle où le taux de vide est inférieur à 0,7, soit, lorsque le volume du gaz est inférieur à 70% du volume du mélange fluidisé. La phase diluée sera définie comme celle où le taux de vide est supérieur à 0,7, soit, lorsque le volume du gaz est supérieur à 70% du volume du mélange fluidisé. Pour calculer le taux de vide d'un mélange fluidisé, on ne peut que se rapprocher de la densité des constituants du dit mélange fluidisé. On sait que le taux de vide, ou son corollaire la densité d'un mélange fluidisé, n'est pas uniforme sur toute sa hauteur et/ou sa largeur dans un réacteur, et notamment qu'elle varie très fortement entre la partie inférieure et la partie supérieure de ce dernier. Le taux de vide peut être calculé à partir de la densité du gaz présent dans le mélange fluidisé (Dg), de la densité des solides utilisés (Ds) et de la densité du mélange fluidisé (Dm). On calcule ce taux de vide à partir de l'équation (I) suivante : Taux de vide = (Ds - Dm) / (Ds - Dg) (I) Les densités du solide et du mélange de gaz contenu dans le mélange fluidisé peuvent être mesurées et/ou calculées par des techniques connues en soit de l'Homme du Métier. La densité du mélange fluidisé est obtenue par exemple, par mesure de la perte de charge au moyen de capteurs de pression disposés à deux niveaux du dit mélange, considérant qu'un mélange fluidisé se comporte comme un liquide (voir description page 5 de l'ouvrage « Fluidization Engineering » de Daizo Kunii et Octave Levenspiel - 2ème édition, 1991). Comme la perte de charge mesurée entre ces deux points du mélange fluidisé est égale selon l'équation (II) ci-dessous : AP=Dm*g*H (II), au produit de Dm la densité mélange fluidisé, de g l'accélération de la pesanteur et de H la distance séparant ces deux points, nous pouvons recalculer facilement Dm. Pour un mélange fluidisé contenant un solide dont la densité apparente est de l'ordre de 1350 kg/m3, dans un mélange gazeux contenant plus de 70% d'azote à une pression voisine de 2 bars et une température de l'ordre de 750°C, le taux de vide est supérieur à 0,7 et la densité est inférieure à 400Kg/m3. Pour optimiser la taille du régénérateur et donc le nombre de cyclones en sortie des gaz, on choisira la structure de l'interne pour que ce dernier occupe moins de 10% de la section libre de passage parallèle à la section du dit réacteur et pour que sa projection sur le plan de la dite section couvre plus de 80% de la surface de la dite section libre de passage, et de préférence plus de 90% de celle-ci. Dans le cadre de la présente invention, lorsque l'interne occupe moins de 10% de la section libre du réacteur, cela veut dire que la surface occupée par la section du dit interne parallèle ou superposable à la section libre du réacteur correspond à moins de 10% de la surface de la dite section libre. De façon préférée, la section de l'interne parallèle au plan de la section du réacteur n'occupera qu'au plus 5% de la surface de la dite section libre de passage laissée libre dans le réacteur. Tout interne respectant les caractéristiques décrites précédemment pourrait convenir à la mise en oeuvre de la présente invention. Dans un mode préféré, on choisira un interne composé d'un ou plusieurs éléments unitaires, chaque élément étant composé d'un ou plusieurs étages de plaques inclinées, parallèles les unes des autres dans un même étage et dont le sens d'inclinaison varie d'un étage à l'autre, ou encore composé d'un ou plusieurs éléments unitaires, chaque élément étant composé d'un ou plusieurs étages de plaques inclinées, chaque étage étant composé de plaques entrecroisées. De préférence, parmi les dispositifs d'internes accessibles sur le marché, la présente invention pourrait utiliser l'interne décrit dans le brevet W000/35575. De façon pratique, pour les grandes sections de réacteur ou régénérateur, l'interne comprendra plusieurs internes unitaires à l'intérieur du réacteur. En effet, pour réaliser l'interne à l'échelle industrielle, on formerait l'interne couvrant en tout ou partie la section libre du réacteur par la juxtaposition d'internes unitaires permettant d'atteindre les caractéristiques de l'interne selon l'invention. On ne sortirait du cadre de l'invention, si, pour parfaire la séparation des gaz et des solides, notamment dans un régénérateur de craquage catalytique en lit fluidisé, on ajoutait un deuxième interne au sein du lit fluidisé dense du régénérateur, permettant de ralentir l'entraînement de particules, notamment de coke, et donc une meilleure combustion de celui-ci au sein du lit. En outre, l'invention telle que décrite est également applicable à tous les étages d'un régénérateur multi-étagé, notamment pour la construction de régénérateurs neufs ou la rénovation d'unités anciennes. La présente invention est maintenant décrite à la lueur des figures et exemples donnés ci-après. La figure 1 montre un régénérateur de taille réduite équipé d'un interne placé dans la partie du lit fluidisé le plus dilué. La figure 2 illustre deux types d'internes 2A et 2B utilisables et efficaces dans un régénérateur miniaturisé. La figure 1 représente un régénérateur selon l'invention qui comprend le réacteur (1) dans lequel se trouve le lit fluidisé de particules solides comprenant le lit fluidisé dense (11) et le lit fluidisé dilué (ou à faible densité) (12), ce dernier comprenant l'interne (13) disposé immédiatement au-dessus du lit. Le régénérateur selon l'invention comprend dans sa partie haute une cheminée (2) de récupération des gaz, éventuellement encore chargé de fines particules de solides, redirigeant ces gaz via la conduite (3) vers deux cyclones (4) et (4'). Le gaz est éliminé de ces cyclones via les évacuations (6) et (6'), puis via la conduite (7). Les solides éventuellement récupérés dans les cyclones sont renvoyés dans le lit dense du régénérateur par les conduites (5) et (5'). Dans la figure 2, l'interne 2A correspond à une superposition de couches de lamelles (ou déflecteurs), équidistantes et parallèles entre elles au sein d'une même couche. Les lamelles d'une même couche sont ainsi inclinées d'un même angle par rapport au plan de coupe de l'interne (perpendiculaire à l'axe du réacteur). Les inclinaisons des lamelles de deux couches adjacentes sont opposées par rapport à ce plan de coupe de l'interne. Pour des raisons de clarté, chaque couche Al, A2, A3 de l'interne 2A de la figure 2 comprend des lamelles toutes parallèles entre elles. Bien entendu, un interne 2A pourra comprendre un nombre variable de lamelles. L'interne 2B comprend une multiplicité de déflecteurs correspondant à un entrecroisement de plaques selon plusieurs axes disposés parallèlement X1, X2, X3 et X4, deux plaques adjacentes autour d'un même axe Xi présentant une inclinaison opposée par rapport à la coupe de l'interne, perpendiculaire à l'axe du réacteur. Cet interne est du type de celui décrit dans le document W000/35575. Dans la suite de la présente description, des exemples sont donnés à titre illustratif mais non limitatif de la présente invention. EXEMPLE I Dans le présent exemple, on compare l'évolution de la masse de particules entraînées dans un lit fluidisé qu'il soit équipé ou non d'interne. Le lit fluidisé est contenu dans un réacteur de 0.35 m de diamètre et 4.5 m de hauteur. Une fois fluidisé, le lit dense a une hauteur légèrement supérieure à lm. Des vitesses superficielles de gaz (Ug) de 0.6 et 0.8 m/s ont été considérées pour les mesures. L'interne est constitué de 5 plaques métalliques entrecroisées selon l'agencement de la figure 2B. Les plaques adjacentes autour du même axe Xi sont inclinées alternativement à 45 et à 135° par rapport au plan de section de l'interne, lui-même étant parallèle au plan de la section du régénérateur. Sur les 5 plaques, les plaques B1, B3 et B5, parallèles entre elles, sont inclinées à 45° alors que les plaques B2 et B4, également parallèles, sont inclinées à 135° par rapport à la section de 1 interne et/ou de la section du régénérateur (figure 2). Les longueurs de ces 5 plaques sont ajustées pour que la projection de l'interne sur le plan de la section libre de passage du réacteur couvre quasiment 100% de celle-ci. L'interne est placé à 1.7m du distributeur de gaz, soit à environ 0.7 m de la surface du lit fluidisé dense. La masse de particules entrainées par le gaz est donnée en kg/mes dans le Tableau I suivant. TABLEAU I Vitesse du gaz Ug = 0.7 m/s Ug = 0.8 m/s Masse de particules entrainées par le gaz Sans interne 2.3 4.2 Avec interne 0.6 0.9 Pour les deux vitesses de gaz envisagées, le gain lié à l'utilisation de l'interne est supérieur à 70% d'efficacité. EXEMPLE II Dans cet exemple, on illustre comment, l'utilisation d'un interne peut permettre de réduire la hauteur d'un lit fluidisée. Les mesures ont été réalisées à une vitesse superficielle de gaz de 0.8 m/s. On a réalisé les essais dans l'enceinte telle que décrite dans l'exemple I. Les essais sans interne sont identiques à celui de l'exemple I : la sortie du gaz est disposée à 4.5m du distributeur de gaz, soit à environ 3.5 mètres au dessus du lit fluidisé dense. Pour l'essai avec interne, contrairement à l'exemple I, la sortie du gaz de l'enceinte a été placée environ 30 cm au dessus de l'interne, soit, à environ un mètre au-dessus du niveau du lit fluidisé dense. Les résultats sont présentés dans le tableau II. TABLEAU II Vitesse du gaz Ug = 0.8 m/s Masse de particules entrainées par le gaz Sans interne à 3.5m du niveau du lit dense 4.2 (kg/m2s) Avec interne à lm du niveau du lit dense 1 L'exemple montre donc comment, malgré la diminution de la hauteur de l'enceinte, l'interne permet de réduire considérablement la quantité de particules entrainées. En effet, si la hauteur du réacteur avait été limitée à la TDH, la sortie gaz ne serait pas à moins de 2.5 m du niveau du lit fluidisé dense et l'entrainement de particules ne serait pas inférieur à 4.2 kg/m2s. Avec l'interne, la hauteur peut être réduite considérablement tout en limitant les particules entrainées à environ 1 kg/m2s. REVENDICATIONS1. Régénérateur pour unité de craquage catalytique formé d'un réacteur comprenant une première partie destinée à être occupée par le lit fluidisé dense de catalyseur et une deuxième partie disposée au- dessus de la première partie et destinée à être occupée par un lit fluidisé de faible densité en particules de catalyseur, la dite deuxième partie comprenant un interne recouvrant par projection sur le plan de la section du dit réacteur au moins 80% de la dite section libre du régénérateur, le dit régénérateur étant équipé d'au moins un cyclone pour la séparation gaz/ solides du mélange issu du lit à faible densité, le dit cyclone étant placé à l'extérieur du dit régénérateur, sur la ou les conduites de sortie des gaz de ce dernier. 2. Régénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dit régénérateur est équipé d'au moins deux cyclones externes. 3. Régénérateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le régénérateur est équipé d'un ou plusieurs étages de cyclones en série, chaque étage étant composé d'un nombre de cyclones en série variant de 1 à 10. 4. Régénérateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'interne est placé au-dessus du lit dense à une hauteur h de la surface du lit fluidisé dense telle que le rapport de cette hauteur sur la hauteur du fluidisé dense H1 varie de 0.05 à 1.5. 5. Régénérateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la structure de l'interne est choisie pour qu'il occupe moins de 10% de la section libre de passage parallèle à la section du dit réacteur et pour que sa projection sur le plan de la dite section couvre plus de 80% de la surface de la dite section libre de passage, et de préférence plus de 90% de celle-ci. 6. Régénérateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, la section de l'interne, parallèle au plan de la section libre du réacteur occupera au plus 5% de la surface de la dite section libre de passage. 7. Régénérateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'interne est composé d'un ou plusieurs éléments unitaires, chaque élément étant composé d'un ou plusieurs étages de plaques inclinées, parallèles les unes des autres dans un même étage et dont le sens d'inclinaison varie d'un étage à l'autre. 8. Régénérateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'interne est composé d'un ou plusieurs éléments unitaires, chaque élément étant composé d'un ou plusieurs étages de plaques inclinées, chaque étage étant composé de plaques entrecroisées.