Brevet FR3058420A1 — publié le 20180511

CONTEXTE DE L'INVENTION L'invention consiste en l'amélioration du dimensionnement de la partie supérieure des réacteurs gaz liquide solide utilisés dans le procédé H-Oil en vue d'obtenir une meilleure séparation gaz/liquide dans ladite zone supérieure souvent appelée « recycle cup ». La terminologie anglo saxonne de « recycle cup » sera traduite dans le présent texte par la locution zone de recyclage liquide, ou plus simplement zone de recyclage. La terminologie anglo saxonne de« spirale riser » sera traduite dans le présent texte par la locution dispositif de séparation gaz/liquide. Le procédé H-Oil est un procédé d'hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes, de 10 type gas oil sous vide ou résidus, qui met donc en présence la phase hydrocarbure liquide, la phase gaz hydrogène dispersée sous forme de bulles, et le catalyseur lui-même dispersé sous forme de particules d'une taille typiquement comprise entre 0,2 et 2 millimètres. Le procédé H-Oil est donc un procédé fluidisé triphasique qui utilise un réacteur spécifique, ledit réacteur étant équipé d'un dispositif de séparation gaz liquide situé dans la partie 15 supérieure du réacteur de manière à permettre le recyclage du liquide qui est renvoyé après séparation dans la zone réactionnelle du réacteur. Une des caractéristiques importantes des réacteurs de type H-Oil est leur taux de recyclage liquide défini comme le rapport du débit liquide recyclé sur le débit de charge liquide entrant et qui est généralement situé dans la gamme de 1 à 10. 20 La présente invention peut se définir comme un dispositif amélioré de séparation gaz liquide des réacteurs de type H-Oil qui permet la réintroduction de la majorité du liquide sans gaz vers la zone réactionnelle, et l'évacuation du gaz (pouvant encore contenir une minorité de liquide) hors du réacteur. Le présent dispositif permet d'atteindre des efficacités de séparation gaz/liquide supérieures 25 à celle des « spirale riser » de l'art antérieur. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La figure 1 selon l'art antérieur représente un schéma d'un réacteur en lit fluidisé triphasique utilisé dans le procédé H-Oil. Cette figure permet de visualiser la zone réactionnelle (22) correspondant au lit fluidisé triphasique contenant le catalyseur, la zone située au-dessus de 30 la zone catalytique appelée zone de séparation gaz liquide (29) qui permet le recyclage du liquide vers la partie inférieure du réacteur au moyen de la pompe de recyclage (20). Les dispositifs de séparation gaz solide sont représentés par les éléments (27) et (28), certains éléments ayant leur extrémité inférieure située dans la zone (29), et d'autres 3058420 2 éléments ayant leur extrémité inférieure située sur la surface conique de la « recycle cup » (39). Ce sont ces éléments de séparation qui font l'objet de la présente invention, le reste du réacteur n'étant pas modifié par rapport à l'art antérieur. La figure 2 représente une vue schématique plus détaillée de la partie supérieure du 5 réacteur appelée zone de recyclage de liquide puisqu'elle se termine par un conduit interne (25) qui, après séparation gaz/liquide, ramène le liquide vers la partie inférieure du réacteur via la pompe de recyclage (20). Les dispositifs de séparation gaz liquide (27) et (28) sont implantés le long de la surface conique (30) de la zone de recyclage. L'entrée du mélange gaz/liquide se fait par les conduits (70). La séparation gaz/liquide a lieu dans les dispositifs 10 (55). Chaque dispositif de séparation (55) consiste donc en l'élément tubulaire d'admission du mélange gaz liquide (70) se terminant par la succession de deux coudes situés dans deux plans distincts : - le premier plan noté (yz) est perpendiculaire à l'axe x, - le second plan noté (xy) est perpendiculaire à l'axe z. 15 II n'y a pas d'élévation selon la verticale au passage des deux coudes successifs. La côte verticale ( selon l'axe z) du premier coude, et la côte verticale (selon l'axe z) du second coude sont sensiblement les mêmes. On entend par sensiblement un écart vertical qui ne dépasse pas le valeur D du diamètre de la conduite d'admission du mélange gaz liquide (70). 20 Le liquide s'écoulant après sa sortie des éléments de séparation le long de la paroi conique (30) est récupéré par la conduite de sortie descendante (25), et le gaz est évacué par la sortie du second coude de chaque élément de séparation (27) et (28). Le gaz occupe donc l'extrémité supérieure (39v) de la zone de séparation (39) située au-dessus de l'interface gaz liquide (24) et quitte le réacteur par le conduit de sortie (67). 25 La figure 3 supporte les informations permettant le dimensionnement des dispositifs de séparation selon l'invention (27) et (28). On notera en particulier l'angle alpha du premier coude et l'angle beta du second coude, ainsi que la distance Dl séparant les deux coudes successifs. La figure 4 est une visualisation de l'efficacité de la séparation gaz liquide résultant d'une 30 simulation 3D effectuée au moyen du logiciel FluentTM. Cette simulation porte sur la sortie du dispositif de séparation et sur l'ensemble de la zone de recyclage. Elle permet de constater 3058420 3 au moyen des nuances de gris la présence du gaz en gris clair, et la localisation du liquide en gris foncé. Plus la nuance de gris est foncée, plus la présence de liquide est importante. EXAMEN DE L'ART ANTERIEUR L'examen de l'art antérieur dans le domaine de la séparation gaz liquide des réacteurs 5 triphasiques de type H-oil fait apparaitre le document US,4,886,644 qui est rapidement analysé ci-dessous : Le brevet US 4,886,644 qu'on peut considérer comme l'art antérieur le plus proche, décrit le concept des spirales risers dans le procédé H-Oil. Les principales revendications concernent le design des spirales risers (nombre de tours de 10 la spirale et angle par rapport à l'horizontale). La « recycle cup » décrite dans le texte cité correspond à la partie supérieure du réacteur qui permet après séparation du gaz et du liquide, le retour du liquide dans la zone réactionnelle du réacteur, et l'évacuation du gaz par une conduite dédiée. Nous utiliserons dans la suite du texte la terminologie zone supérieure de recyclage du 15 liquide ou plus simplement, zone de recyclage, pour « recycle cup ». Le document US 4, 886,644, montre par ailleurs un arrangement de la zone supérieure de recyclage qui combine la conduite d'évacuation gaz/liquide en haut du réacteur avec un hydrocyclone. DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTION 20 La présente invention peut se définir comme un dispositif de séparation gaz liquide implanté dans la zone de recycle des réacteurs fluidisés triphasiques utilisés dans les procédés d'hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en présence d'hydrogène sous forte pression, procédé que nous appellerons procédé de type H-Oil. En fait le présent dispositif peut être utilisé dans tout type de réacteur en lit fluidisé triphasique ayant besoin d'une 25 séparation gaz liquide. On entend par procédé en lit fluidisé triphasique un procédé dans lequel trois phases se trouvent en présence dans la zone réactionnelle ; une phase liquide, constituant généralement la charge à traiter, une phase gaz sous forte pression généralement de l'hydrogène, et une phase solide correspondant au catalyseur divisé en particules solide, le 3058420 4 plus souvent d'un diamètre compris entre 0,2 et 2 mm, et préférentiellement compris entre 0,7 et 1,5 mm. Le dispositif de séparation selon la présente invention consiste en une pluralité d'éléments de séparation (27) et (28) fonctionnant en parallèle et implantés verticalement à partir de la 5 surface conique (30) de la zone de recycle (39). La zone de recycle (39) se décompose en une partie supérieure (39 v) correspondant au gaz, et en une partie inférieure (39 L) correspondant au liquide. Ces deux zones sont en cours de fonctionnement séparées par un interface gaz liquide (24). Chaque élément de séparation (27) et (28) se termine par une succession de deux coudes; 10 un premier coude situé dans le plan (z,y), puis un second coude situé dans le plan (x,y). Le premier coude dans le plan (yz) a son orientation défini par son angle a compris entre 45 et 315°, de préférence entre 60° et 300 ° et de man ii préférée entre 80° et 200°. Le deuxième coude dans le plan (xy) a son orientation défini par son angle [3 compris entre 0° et 135°, de préférence entre 10° et 110°, et demnière préférée entre 30° et 100°. 15 L'axe z correspond à l'axe vertical et le plan (xy)est le plan perpendiculaire à l'axe z, soit un plan sensiblement horizontal. Ces deux coudes successifs sont séparés d'une distance D1 comprise entre D/2 et 4D et préférentiellement comprise entre D/2 et 2D, D étant le diamètre de la conduite (70). Dans le dispositif de séparation gaz liquide selon la présente invention, la densité des 20 éléments de séparation (27) et (28) est généralement comprise entre 5 et 70 unités par m2 de surface de réacteur en fût vide. La présente invention peut également se définir comme un procédé d'hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en lit fluidisé triphasique utilisant le dispositif de séparation gaz liquide selon les caractéristiques données plus haut, procédé fonctionnant aux 25 conditions opératoires suivantes : - une pression absolue comprise entre 2 et 35 MPa, de préférence entre 5 et 25 MPa, et de manière encore préférée, entre 6 et 20 MPa, 3058420 5 - une température comprise entre 300°C et 550°C, de préférence comprise entre 350 et 500°C, et d'une manière encore préférée comprise entre 370 et 430°C, la plage de température privilégiée se situant entre 380°C et 430°C, la vitesse superficielle de l'écoulement ascendant prise à l'intérieur de chaque 5 conduit d'admission (70) est généralement comprise entre à 0,1 et 20 m/s, préférentiellement entre 0,2 et 15 m/s, et de manière encore préférée comprise entre 0,3 et 10 m/s. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Pour bien comprendre l'invention il est nécessaire de décrire sommairement le fonctionnement d'un réacteur de type H-Oil, tel que représenté sur la figure 1 selon l'art antérieur. La figure 1 est un schéma représentatif montrant les principaux éléments d'un réacteur H-Oil selon l'art antérieur. Ce réacteur est conçu d'une manière spécifique avec des matériaux appropriés lui permettant de traiter des liquides réactifs, des « slurry » liquide-solide, (c'est-à- dire des liquides contenant de fines particules solides dispersées en son sein), des solides et des gaz à température et pression élevées avec une application préférée pour le traitement de coupes hydrocarbures liquides avec de l'hydrogène à haute température et haute pression, c'est-à-dire à une pression absolue comprise entre 2 et 35 MPa, de préférence entre 5 et 25 MPa, et de manière encore préférée, entre 6 et 20 MPa, et à une température comprise entre 300°C et 550°C, de préférence comprise entre 350°C et 500°C, et d'une manière encore préférée comprise entre 370°C et 430°C, la plage de température privilégiée se situant entre 380°C et 430°C. Le réacteur type H-Oil (10) est conçu avec un conduit d'entrée approprié (12) pour l'injection d'une charge hydrocarbonée lourde (11) et d'un gaz (13) contenant de l'hydrogène. Les conduits de sortie sont positionnés dans la partie supérieure du réacteur (10). Le conduit de sortie (40) est conçu pour soutirer des vapeurs pouvant contenir une certaine quantité de liquide, et en option le conduit (24) permet de soutirer principalement du liquide. Le réacteur contient aussi un système permettant l'introduction et le soutirage de particules de catalyseur montré schématiquement par le conduit (15) pour l'introduction du catalyseur frais (16), et le conduit (17) pour le soutirage du catalyseur usé (14). 3058420 6 La charge d'hydrocarbures lourds est introduite à travers le conduit (11), pendant que le gaz contenant l'hydrogène est introduit à travers le conduit (13). Le mélange charge et hydrogène gazeux est ensuite introduit dans le réacteur (10) à travers le conduit (12) dans la partie inférieure du réacteur. 5 Les fluides entrant passent à travers un plateau (18) contenant des distributeurs appropriés. Dans ce schéma, des distributeurs de type « bubble cap » (19) sont montrés, mais il est entendu que tout distributeur connu de l'homme du métier permettant de distribuer les fluides provenant du conduit (12) sur toute la surface du réacteur 10, et ceci de la manière la plus homogène possible, peut être utilisé. 10 Le mélange liquide/gaz s'écoule vers le haut et les particules de catalyseur sont entraînées dans un mouvement de lit bouillonnant par l'écoulement gaz et l'écoulement liquide induit par la pompe de recirculation (20) qui peut être interne ou externe au réacteur (10). L'écoulement ascendant de liquide délivré par la pompe (20) est suffisant pour que la masse de catalyseur dans la zone de réaction ou lit catalytique (22) s'expanse d'au moins 10%, de 15 préférence de 20 à 100 % par rapport au volume statique (c'est-à-dire au repos) du lit de catalyseur, permettant ainsi l'écoulement de gaz et liquide à travers le réacteur (10), comme montré par les flèches de direction (21). A cause de l'équilibre entre les forces de friction engendrées par l'écoulement ascendant du liquide et du gaz, et les forces gravitaires dirigées vers le bas, le lit de particules de 20 catalyseur atteint un niveau haut d'expansion pendant que le liquide et le gaz plus légers continue de se diriger vers le haut du réacteur (10) au-delà de ce niveau solide. Dans le schéma, le niveau d'expansion maximale du catalyseur correspond à l'interface (23). Au-dessous de cet interface (23) se trouve la zone de réaction catalytique (22) qui s'étend donc de la grille (18) au niveau (23). 25 Au-dessus de l'interface (23) se trouve une zone (39) ne contenant que du gaz et du liquide. Les particules de catalyseur dans la zone de réaction (22) sont en mouvement aléatoire à l'état fluidisé, raison pour laquelle la zone réactionnelle (22) est qualifiée de zone fluidisée triphasique. La zone (29), à faible concentration de catalyseur au-dessus du niveau (23), est remplie de 30 liquide et de gaz entrainé. Le gaz est séparé du liquide dans la partie supérieure du réacteur 3058420 7 appelée « recycle cup » (30) afin de collecter et recycler la majeure partie du liquide à travers le conduit central (25). Il est important que le liquide recyclé à travers la conduite central (25) contienne le moins de gaz possible, voire pas de gaz du tout, pour éviter le phénomène de cavitation de la pompe (20). 5 Les produits liquides restant après la séparation gaz liquide peuvent être soutirés à travers le conduit (24). Le conduit (40) est utilisé pour le soutirage du gaz. La partie élargie à l'extrémité supérieure du conduit (25) forme la zone de recyclage du liquide 39V et 39 L. Une pluralité d'éléments de séparation (27) et (28) orientés verticalement créent le lien entre la zone gaz liquide (29) et la zone de recyclage (39). 10 Le mélange gaz liquide s'écoule vers le haut à travers les conduits des éléments de séparation (27) et (28). Une partie du liquide séparé est ensuite dirigée vers la pompe de recyclage (20) dans la direction de la flèche (31) à travers le conduit central (25), et est donc recyclée vers la partie inférieure du réacteur (10) en-dessous de la grille (18). Le gaz séparé du liquide, s'écoule vers la partie supérieure du réacteur (10) et est soutiré 15 par le conduit supérieur (40). Le gaz soutiré est ensuite traité d'une manière conventionnelle pour récupérer autant d'hydrogène que possible afin que ce dernier soit recyclé vers le réacteur à travers le conduit (13). L'organisation générale de la circulation des fluides n'est pas modifié dans la présente invention par rapport à l'art antérieur tel qu'il vient d'être décrit. Seuls sont modifiés la 20 géométrie des éléments de séparation (27) et (28) et le dimensionnement de la zone de recyclage (39). La figure 2 est un schéma plus précis de la zone de recyclage (39) présenté dans la figure 1. Le gaz et le liquide ont un écoulement ascendant montré par la flèche de direction (41) et sont introduits à travers les conduits d'admission (70) où ils subissent un changement de 25 direction à environ 90° à la fois dans le premier (pude et le second coude terminant les éléments de séparation (27) et (28). Le niveau (24) sépare la partie supérieure (39 V) contenant majoritairement le gaz séparé, de la partie inférieure (39L) contenant majoritairement le liquide recyclé. Les différents liquide séparés (45) issus du second coude des éléments (27) et (28) s'écoulent vers le bas 3058420 8 par l'intermédiaire de la paroi conique (30), et sont collectés par le conduit de recyclage central (25) pour être repris par la pompe de recyclage (20). La majeure partie du liquide (31) est donc recyclé vers la pompe d'ébullition (20) à travers le conduit central (25). Le gaz et une mineure partie de liquide non séparé (67) sont soutirés à 5 travers le conduit (40). Le conduit (40) possède en général des fentes (65) en son extrémité inférieure qui permettent de fixer la hauteur de l'interface liquide-gaz (24). La figure 3 présente la géométrie d'un dispositif de séparation gaz liquide selon l'invention plus en détail, et fait apparaitre les dimensions géométriques importantes pour le dimensionnement dudit dispositif. 10 Le diamètre du conduit d'admission (70) de chaque élément de séparation (27) et (28) est généralement compris entre 0,02 m et 0,5 m, de préférence entre 0,05 m et 0,4m, et de manière préférée entre 0,1m et 0,3 m. La vitesse superficielle de liquide de l'écoulement ascendant représenté par la flèche de direction (41) est généralement comprise entre 0,1 et 20 m/s, de préférence entre 0,2 m/s et 15 15 m/s, et de manière préférée entre 0,3 m/s et 10 m/s. Le premier coude situé dans le plan (yz) a son orientation défini par son angle a. La valeur de l'angle a est compris entre 45 et 315°, de préférence entre 60° et 300 °et de manière préférée entre 80° et 200°. Le deuxième coude situé dans le plan (xy) a son orientation défini par son angle R. La valeur 20 de l'angle [3 est compris entre 0° et 135°, de préférence entrel0° et 110 °et de manière préférée entre 30° et 100°. La hauteur H1 comprise entre l'interface gaz et liquide (24) et le second coude dans le plan (xy) se situe entre D et 10D, et préférentiellement entre 2D et 5D, D étant le diamètre de la conduite (70). 25 La distance D séparant les deux coudes successifs est comprise entre D/2 et 4D et préférentiellement comprise entre D/2 et 2D, D étant le diamètre de la conduite (70). 3058420 9 EXEMPLE SELON L'INVENTION Cet exemple donne le dimensionnement d'un dispositif de séparation gaz liquide selon l'invention. Les conditions opératoires du procédé ainsi que les principales données géométriques du dispositif sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous. Débits des phases gaz et liquide entrant dans la zone de recyclage Liquide Débit kg/s 257,5 Masse volumique kg/m3 730,3 Gaz Débit kg/s 12,9 Masse volumique kg/m3 32,6 Nombre de dispositifs de séparation 35 selon l'invention Diamètre de chaque conduit (75) 15 cm Angle alpha du premier coude 90° Angle beta du deuxième coude 90° 5 Table 1 : Conditions opératoires de la zone de recyclage et paramètres géométriques du séparateur L'efficacité gaz est définie par l'équations 1 ci-dessous. Les numéros des flux se réfèrent à la figure 3. Efficacité gaz(%m)= Débit gas (41) Le tableau 2 présente les efficacité gaz obtenue : Efficacité gaz 100% 10 Table 2 : Efficacité de séparation Une simulation CFD en 3D de l'invention a été effectuée au moyen du logiciel FluentTM Une approche Eulérienne est utilisée pour chaque phase (liquide et gaz) avec une résolution d'équations de conservation de masse et de quantité de mouvement. La figure 4 montre la fraction volumique liquide dans le dispositif de séparation selon 15 l'invention ainsi que dans la zone de recyclage en entier, en variation de gris. Plus la nuance de gris est soutenue, plus la concentration en phase liquide est élevée. On constate que le dispositif selon l'invention réalise une séparation quasi parfaite du gaz et du liquide qui se retrouve le long de la paroi (50) en écoulement descendant. La fraction gaz se retrouve dans la tubulure de sortie (53). Débit_ gas (67) Eq. 1 20 REVENDICATIONS1) Dispositif de séparation gaz liquide implanté dans la zone de recycle des réacteurs fluidisés triphasiques utilisés dans les procédés d'hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en présence d'hydrogène sous forte pression, la zone de recycle (39) étant constituée de l'hémisphère supérieur du réacteur et limitée à la partie inférieure par une surface conique (30) permettant le retour dans la zone catalytique du liquide séparé, dispositif consistant en une pluralité d'éléments de séparation (27) et (28) fonctionnant en parallèle et implantés verticalement à partir de la surface conique (30) de la zone de recycle (39), chaque élément de séparation (27) et (28) possédant un conduit d'admission (70) du mélange gaz liquide ouvert sur la surface conique (30) et s'élevant jusqu'à une hauteur H à l'intérieur de la zone de séparation (39), et se terminant par une succession de deux coudes; un premier coude situé dans le plan ( zy) défini par l'axe z sensiblement vertical, et un axe y appartenant au plan (xy) perpendiculaire à l'axe z, et un second coude situé dans le plan (x,y), l'axe x étant lui- même perpendiculaire à l'axe y. 2) Dispositif de séparation gaz liquide selon la revendication 1, dans lequel le premier coude dans le plan (yz) a son orientation défini par son angle a compris entre 45 et 315°, de préférence entre 60° et 300°,et de manière préférée entre 80° et 200°. Dispositif de séparation gaz liquide selon la revendication 1, dans lequel le deuxième coude dans le plan (xy) a son orientation défini par son angle (3 compris entre 0° et 135°, de préférence entre 10° et 110°,et de manière préférée entre 30° et 100°. 4) Dispositif de séparation gaz liquide selon la revendication 1, dans lequel les deux coudes successifs sont séparés d'une distance D1 comprise entre D/2 et 4D et préférentiellement comprise entre D/2 et 2D, D étant le diamètre de la conduite (70). 5) Dispositif de séparation gaz liquide selon la revendication 1, dans lequel distance H1 séparant l'extrémité de sortie du second coude situé dans le plan (xy) de l'interface (24) est comprise entre D et 10D, et préférentiellement entre 2D et 5D, D étant le diamètre de la conduite d'admission (70). 3058420 11 6) Dispositif de séparation gaz liquide selon la revendication 1, dans lequel la densité des éléments de séparation (27) et (28) est comprise entre 5 et 70 unités par m2 de surface de réacteur en fût vide. 7) Procédé d'hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en lit fluidisé triphasique 5 utilisant le dispositif de séparation gaz liquide selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les conditions opératoires sont les suivantes : une pression absolue comprise entre 2 et 35 MPa, de préférence entre 5 et 25 MPa, et de manière encore préférée, entre 6 et 20 MPa, et à une température comprise entre 300°C et 550°C, de préférence comprise entre 350 10 et 500°C, et d'une manière encore préférée comprise entre 370°C et 430°C, la plage de température privilégiée se situant entre 380°C et 430°C. 8) Procédé d'hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en lit fluidisé triphasique utilisant le dispositif de séparation gaz liquide selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la vitesse superficielle de l'écoulement ascendant prise à l'intérieur de 15 chaque conduit d'admission (70) est comprise entre à 0,1 et 20 m/s, préférentiellement entre 0,2 et 15 m/s, et de manière encore préférée comprise entre 0,3 et 10 m/s.