Brevet FR3059914A1 — publié le 20180615

CONTEXTE DE L'INVENTION L'invention consiste en un nouveau type de garnissage destiné à équiper les stripers des unités de craquage catalytique en lit fluidisé (en abrégé FCC). La figure 1 représente une vue schématique d'une unité FCC selon la technologie dite R2R, c'est-à-dire à un riser 1 et deux régénérateurs en série 5 et 6. Cette technologie est particulièrement adaptée au craquage de charges lourdes. Le « riser » désigne le réacteur tubulaire à écoulement fluidisé ascendant à l'intérieur duquel se déroulent les réactions de craquage. Le vocabulaire étant bien fixé dans le contexte du FCC, nous conserverons cette appellation anglo-saxonne dans la suite du texte. Le catalyseur régénéré en provenance du second régénérateur (6) est introduit à la base du riser (1), s'élève le long du riser (1) en provoquant les réactions de craquage et certaines réactions parasites entrainant la production de coke se déposant à la surface dudit catalyseur. Le catalyseur coké est séparé des effluents de craquage gazeux dans un dispositif de séparation (2) situé en partie supérieure du riser (1), dispositif généralement complété par un ou deux étages de cyclones, puis est introduit dans une zone de stripage (4) qui a pour but de libérer le maximum d'hydrocarbures adsorbés à la surface du catalyseur, de manière à ne laisser un catalyseur coké avec le minimum possible d'hydrocarbures adsorbés, qui est ensuite envoyé à la section de régénération (5) et (6). La section de régénération comprend un premier étage (5) fluidisé par un organe de fluidisation (12), suivi d'un second étage (6) fluidisé par un organe de fluidisation (12'), le catalyseur issu de ce second étage étant renvoyé à la base du riser (1). Le stripage est réalisé en utilisant un fluide de stripage (9), généralement de la vapeur d'eau. A l'intérieur du stripeur l'écoulement est donc globalement à contre-courant entre une phase d'émulsion (catalyseur + gaz) descendante et le gaz de fluidisation ascendant. Un garnissage (4), ou toute autre technologie équivalente (des exemples de garnissages sont donnés sur la figure 2, dans l'ordre de droite à gauche : déflecteurs, plateaux « disc-donut », garnissage), disposé à l'intérieur du stripeur a pour but de favoriser le contact entre le catalyseur et le fluide de stripage et d'assurer une bonne homogénéité. Un garnissage couramment utilisé dans les unités de FCC de technologie R2R est montrée sur la figure 2a. Un exemple de procédé auquel s'applique particulièrement bien le garnissage selon la présente invention est celui de la technologie R2R, adaptée au craquage de coupes 3059914 2 hydrocarbonées lourdes telles que les distillats sous vide et les résidus atmosphériques, généralement préalablement hydrotraités. Toutefois, l'invention peut s'appliquer à toutes les technologies de conversions catalytiques en lits fluidisés, pour lesquels une unité de stripage est nécessaire : 5 FCC avec un seul régénérateur (adapté aux charges plus légères), ou avec des orientations de sélectivités différentes, craquage de naphta NCC (abréviation de la terminologie anglo saxonne « Naphta Catalytic Cracking »), conversion plus poussée DCC (abréviation de la terminologie anglo saxonne « Deep Catalytic Cracking »), transformation du méthanol en oléfines (MTO) ou essence (MTG)... 10 DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La figure 1 est une représentation schématique d'une unité de craquage catalytique selon la technologie R2R, qui permet de bien situer le stripeur à l'extrémité supérieure du riser et le positionnement typique du garnissage contenu dans ce dernier. La figure 2 fournit quelques exemples de garnissage typique utilisé dans des unités de 15 stripage. La figure 3 est une représentation en 3D de la structure de garnissage de l'art antérieur le plus proche correspondant au document US, 6,224,833 qui permet de visualiser les deux systèmes de bandes, formant entre elles un angle alpha compris entre 60 et 90°. La figure 4a est une représentation 3D de la structure de garnissage selon l'invention dans sa 20 variante dite à « chevrons fermés ». La figure 4b est une représentation 3D de la structure de garnissage selon l'invention dans sa variante dite à « chevrons ouverts ». La figure 5 permet de mieux visualiser la jonction entre deux bandes au niveau de la pliure et montre la variante à chevrons ouverts avec ouverture au niveau de ladite pliure. 25 La figure 6 est une comparaison de résultats de simulation 3D obtenus par CFD (abréviation de « Computational Fluid Dynamics ») selon le garnissage de l'art antérieur (figure 6b), selon le garnissage de l'invention en variante « chevrons fermés » (figure 6c), et selon le garnissage de l'invention en variante « chevrons ouverts » ( figure 6d). La figure 6a correspond à la mal-distribution initiale. Celle-ci est perpendiculaire aux plans 30 contenant les bandes. 3059914 3 La figure 7 présente les résultats de simulation CFD pour les mêmes géométries avec une mal-distribution initiale perpendiculaire à celle de la figure 6, et donc dans ce cas, parallèle aux plans des bandes. La figure 7a correspond à une autre mal-distribution, perpendiculaire à celle de la figure 6a. 5 Et les figures 7b, 7c et 7d ont la même signification que, respectivement, les figures 6b, 6c et 6d. EXAMEN DE L'ART ANTERIEUR Une description assez complète de la technologie de craquage catalytique de type R2R peut se trouver dans le document US 5,716,585. 10 Rappelons que le garnissage selon la présente invention peut s'appliquer à l'ensemble des technologies de craquage catalytique qui font appel à une section de stripage du catalyseur. On peut considérer que l'art antérieur le plus proche de l'invention est constitué par le document US 6,224,833 qui décrit un garnissage (appelé « packing » dans la terminologie anglo saxonne) consistant en deux séries de bandes parallèles appartenant à deux plans 15 différents ayant une intersection. Toutes les bandes d'un plan donné sont parallèles entre elles, et deux bandes les plus proches d'un même plan sont séparées d'un espace à peu près de même taille que la largeur d'une bande. Les bandes appartenant au second plan se situent précisément dans les intervalles laissés libres par les bandes du premier plan. 20 Il en résulte une structure en quinconce qui oblige le gaz ascendant à progresser selon un cheminement tortueux et au catalyseur à glisser en principe le long des différentes bandes. Globalement le cheminement du gaz se fait selon deux séries de trajets parallèles avec des points de rencontre, plus précisément de tangence, qui sont supposés créer une perturbation, mais cette dernière n'est pas réellement organisée. 25 Le document WO 2015/095 540 décrit une structure de garnissage utilisant trois bandes situés dans des plans différents. Il en résulte une structure de garnissage qui se rapproche de celle décrite dans le document US 6,224,833 dans laquelle les bandes d'un même plan peuvent présenter des orientations différentes selon l'axe médian appartenant audit plan. Néanmoins, chaque bande reste plane et ce document ne décrit pas une structure réellement 30 tridimensionnelle. 3059914 4 L'objet de la présente invention est de décrire une structure de garnissage qui soit vraiment tridimensionnelle, c'est-à-dire qui ne présente pas de direction privilégiée, ou de plan privilégié, tout en ayant une organisation qui ne soit pas au hasard. L'objectif d'un tel garnissage est d'améliorer le contact entre la phase gaz et la phase solide dispersée de telle 5 manière qu'il n'y ait pas de direction privilégiée pour l'écoulement de ce mélange considéré dans chaque élément de volume de l'écoulement ou, en d'autres termes, de réaliser un contact entre phases aussi anisotrope que possible. Un meilleur contact entre le catalyseur coké et le gaz de stripage permet, à iso performances globales, de réduire le débit de gaz de stripage ou la taille du stripper. Dans le cas de 10 fonctionnement avec les mêmes dimensions du stripeur et le même débit gaz, un mélange plus homogène permet d'améliorer le stripage, donc de réduire le Acoke entre le riser et le régénérateur. Le Acoke étant le pourcentage en poids de coke et d'hydrocarbures adsorbés sur le catalyseur, classiquement, il se situe entre 0,6 et 1% pour une unité avec un seul régénérateur et entre 1 et 1,5% pour une unité à deux régénérateurs. 15 Un meilleur stripage permettrait une amélioration entre 5 et 10% de la réduction de Acoke dans le stripeur. La conséquence d'une telle réduction dans le Acoke est l'augmentation du débit de recirculation de solide de 5 à 10% (à iso température dans le riser). Par ailleurs, un meilleur stripage permet d'augmenter les rendements en produits valorisables. Un autre avantage de l'amélioration du mélange entre émulsion de particules solide et gaz, est 20 l'augmentation de la capacité du stripeur (limite d'engorgement de l'interne plus élevée). Dans le cas où cette capacité est limitante pour l'unité cela constitue également une augmentation de la capacité totale du procédé. DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTION La présente invention peut se définir comme un garnissage de structure tridimensionnelle 25 destiné à équiper notamment les stripeurs des unités de craquage catalytique, et plus généralement les unités qui doivent réaliser un contact aussi homogène que possible entre une phase gaz et une phase solide dispersée, quelle que soit la direction suivie au sein dudit garnissage. C'est ce que nous appelons dans la suite du texte un garnissage anisotrope à structure tridimensionnelle. 30 Plus précisément le garnissage selon l'invention permet de réaliser un contact homogène entre une phase gaz ascendante et une phase solide dispersée descendante évoluant à 3059914 5 contre-courant, ledit garnissage étant caractérisé par une structure tridimensionnelle consistant en un ensemble de lignes de chevrons. Les lignes de chevrons sensiblement parallèles se répartissent selon deux plans formant un angle alpha compris entre 20 et 70°, et préférentiellement compris entre 45 et 60°, par rapport 5 à l'horizontale. Chaque ligne de chevron est elle-même caractérisée par un angle beta constituant l'arrête du chevron, cet angle beta étant compris entre 60 et 120°, et préférentiellement compris entre 70 et 110 °. Pour les unités industrielles, La largeur d'un chevron est comprise entre 3 et 40 cm, 10 préférentiellement comprise entre 5 et 15 cm. Pour les unités de laboratoire/pilote, cette largeur est comprise entre 1 et 50 mm, et préférentiellement entre 3 et 15mm. Le choix de cette longueur doit être fixé en fonction de la taille caractéristique de la cavité accueillant le garnissage : un minimum de 2 à 4 périodes doit être assuré. Deux lignes de chevrons voisines dans un même plan sont séparées d'un espace à peu près de 15 même taille que la largeur d'une ligne de chevrons. Les lignes de chevrons appartenant au second plan se situent précisément dans les intervalles laissés libres par les lignes de chevron du premier plan de manière à former une structure en quinconce. Selon une variante de la présente invention, les arrêtes de chaque ligne de chevrons sont ouvertes, la largeur de ladite ouverture étant comprise entre 5% et 30%, et préférentiellement 20 entre 8% et 25% de la largeur des chevrons. Une ouverture de largeur supérieure à 30% dégrade les performances du garnissage car un espace vide trop important entre les bandes est un espace que la phase (émulsion ou gaz) traverse sans résistance et donc sans être déviée et mélangée à la deuxième phase. Cet effet de largeur optimale est illustré plus loin dans l'exemple joint à la présente demande. 25 Le garnissage à structure tridimensionnelle selon l'invention est réalisé sous forme de blocs parallélépipédiques ou cubiques de dimensions pouvant atteindre 2 à 3 m de chaque côté. Le garnissage selon la présente invention s'applique particulièrement aux procédés de catalytiques en lit fluidisé, comme moyen d'améliorer le contact entre la phase gaz ascendante et la phase émulsion (solide + gaz) descendante à l'intérieur du stripeur. 30 Dans l'application FCC, la phase gaz est constituée de vapeur d'eau, et la phase solide de particules de catalyseur de diamètre moyen compris entre 30 et 150 microns, 3059914 6 préférentiellement entre 40 et 90 micron, le stripeur étant une enceinte fluidisée à une vitesse de fluidisation typiquement comprise entre 10 et 40 cm/s. Le flux solide dans le stripper est typiquement compris entre 10 et 250 kg/m2.s et préférentiellement entre 20 et 180 kg/m2.s. 5 La présente invention porte également sur le procédé de fabrication du garnissage qui peut utiliser les techniques dites de fabrication additive, par exemple la fusion sélective par laser, le frittage sélectif par laser, ou encore le dépôt par fil tendu. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La présente invention peut se définir comme un garnissage de structure tridimensionnelle 10 destiné à équiper notamment les stripeurs des unités de craquage catalytique, et plus généralement les unités qui doivent réaliser un contact aussi homogène que possible entre une phase gaz et une phase solide dispersée, quelle que soit la direction suivie au sein dudit garnissage. C'est ce que nous appelons dans la suite du texte un garnissage anisotrope à structure tridimensionnelle. 15 La figure 4a représente un type de garnissage selon la présente invention. Les bandes du document US 6,224,833 sont ici remplacés par des lignes de chevrons, ce qui revient à créer une pliure symétrique et selon l'axe longitudinal pour chaque bande, les chevrons étant toujours distribués selon deux plans formant entre eux un angle alpha compris entre 20° et 70°, préférentiellement entre 45° et 60°. 20 Chaque ligne de chevrons peut se définir par rapport aux deux plans de la pliure formant entre eux un angle beta pouvant varier de 60 et 120°, et de préférence compris entre 70 et 110°. La structure ainsi réalisée peut être qualifiée de tridimensionnelle. L'angle alpha de chaque plan contenant les lignes de chevrons est compris entre 20 et 70°, et préférentiellement compris entre 45° et 60°, par rapport à l'horizontale. 25 L'angle beta qui définit l'arrête de chaque ligne de chevron est compris entre 60 et 120°, et préférentiellement compris entre 70 et 110°. La figure 4b représente une évolution de la structure représentée par la figure 4a dans laquelle l'arrête correspondant à l'angle de chaque pliure présente une ouverture qui permet au gaz de créer un cheminement secondaire dans un plan différent de celui du cheminement principal. 30 La largeur de ladite ouverture est comprise entre 5% et 30%, et préférentiellement entre 8% et 25% de la largeur des chevrons. 3059914 7 Le solide peut utiliser ces ouvertures au niveau des arrêtes pour se créer un cheminement secondaire différent du cheminement principal et permet d'éviter une accumulation de solide dans le creux des chevrons. Au global, il en résulte un contact amélioré du gaz et du solide. Le présent garnissage présente une certaine complexité de réalisation. Notamment pour le cas 5 de la variante à chevrons ouverts avec une fente à l'emplacement de la pliure. En effet, dans cette configuration, les éléments ne se touchent pas et la rigidité du chevron peut être assurée par exemple au moyen d'une étroite bande de liaison, comme indiqué sur la figure 5. Une autre solution pourrait consister à poser le garnissage entre deux grilles filaires sur lesquelles pourront être soudées les extrémités des bandes pour constituer un bloc de 10 garnissage. La réalisation du garnissage selon l'invention peut être également prise en charge par les nouvelles techniques de construction faisant appel aux techniques de fabrication additive, par exemple la fusion sélective par laser (dite « selective laser melting », soit « SLM » dans la terminologie anglo saxonne), ou encore le frittage sélectif par laser (« selective Laser 15 Sintering », SLS), ou encore le dépôt fil tendu (« Fused Deposition Modeling », FDM). L'évaluation de l'amélioration du mélange ou du contact entre les phases gaz et émulsion est faite par simulation 3D au moyen du logiciel de simulation des écoulements de fluides du nom commercial Ansys Fluent. La simulation est réalisée en température : un liquide avec un profil de température mal-20 distribué (rampe de température) s'écoule de haut en bas avec un flux massique du même ordre de grandeur que le flux solide dans un stripper (ici 100 kg/m2.$). Un suivi de l'évolution axiale (dans le sens de l'écoulement) de la mal-distribution est réalisé. La mal-distribution consiste à créer une moitié de la section d'entrée irriguée par un fluide chaud et l'autre moitié par un fluide froid s'écoulant à co-courant. 25 L'analogie en température pour apprécier une évolution de la concentration est bien validée par l'homme du métier dans ce type de simulation. Plus précisément, l'efficacité du mélange est corrélée avec un coefficient dit coefficient de variance dont la définition est donnée ci-dessous : Cov = 3059914 8 Cette formule est relative à une surface A, cette surface étant divisée en un nombre N de cellules de surface élémentaire Ai. Généralement la surface A considérée correspond à celle d'un plan P traversant le domaine de calcul. Elle peut par exemple correspondre à une section de garnissage. 5 On peut donc balayer l'intégralité du garnissage au moyen d'une série de plan P étagés en hauteur, chaque plan étant noté P(hi) pour indiquer qu'il est relatif à la côte d'élévation h(i). A désigne la surface totale de la section considérée, Ai désigne la surface correspondant à la cellule i N le nombre total de cellules Ai contenues dans la surface A, 10 Ti la température locale de la cellule i considérée, TO la température moyenne sur la surface A. Globalement plus le coefficient Cov est petit, meilleur est le mélange des phases gaz et solide dans le plan considéré. Pour améliorer la qualification du mélange, on introduit un coefficient relatif qui prend en 15 compte la variation du coefficient de mélange Cov entre l'entrée de la phase fluide et la sortie de cette phase. De manière générale, on peut considérer qu'un écoulement de solide mis en suspension par un gaz se comporte comme un fluide homogène avec des propriétés physico-chimiques appropriées (densité, viscosité ...). En l'occurrence, pour illustrer la capacité du garnissage à améliorer le mélange, on a 20 représenté la phase émulsion (solide + gaz de fluidisation) par une phase liquide s'écoulant de haut en bas en jouant sur la similarité de densité. La moitié de l'écoulement est à une température fixée de 350 °K, l'autre moitié à une autre température 273 °K... Plus la variation relative du coefficient de mélange entre l'entrée et la sortie de la zone de garnissage est importante, plus la qualité du mélange sur l'ensemble du garnissage est 25 considérée comme bonne. Coi relative = C°vinlet - Coi,i C°vinlet 3059914 9 EXEMPLES SELON L'INVENTION Dans l'exemple comparatif ci-dessous on compare un garnissage de l'art antérieur correspondant au document US 6,224,833 (figure 5b) à deux garnissages selon l'invention dans la variante « chevrons fermés » (figure 5c) et la variante « chevrons ouverts » (figure 5d). 5 Pour des unité de laboratoire ou des unités pilote, la largeur d'un chevron est comprise entre 1 et 50 mm, préférentiellement entre 3 et 15 mm. Pour les différentes géométries testées, la largeur des bandes est de 6,7 cm avec une inclinaison par rapport à l'horizontale alpha de 60°, et un espacement entre les bandes appartenant à un même plan de 8cm . 10 Pour les chevrons avec ouvertures, la largeur des bandes est diminuée du pourcentage d'ouverture. L'angle beta des chevrons est de 90°. On remarque un certain étalement latéral des températures sur les figures 5c et 5d qui indique que le contact entre les flux chaud et froid se fait non plus seulement selon la direction des bandes, mais également selon une direction sensiblement perpendiculaire, ce qui est un facteur d'augmentation du 15 coefficient de mélange. Le mélange suivant une direction perpendiculaire aux plans des bandes est mieux illustré par les résultats de la figure 6. Sur cette figure la mal-distribution initiale est tournée de 90° par rapport à celle de la figure 5. Nous réalisons donc bien au moyen du garnissage selon l'invention un contact tridimensionnel. Le tableau 1 ci-dessous confirme, au moyen du coefficient de mélange relatif, qu'il y a bien une 20 amélioration du mélange des phases entre le plan d'entrée du liquide et un plan situé 40 cm plus bas dans la zone de garnissage. Pour les chevrons ouverts, deux cas sont présentés correspondant à des largeurs d'ouvertures de 10 et de 30%. Les résultats obtenus montrent qu'une ouverture de 30% fournit un résultat sensiblement identique au garnissage de référence, d'où l'intérêt de limiter cette ouverture à 25% maximum. Garnissage Art ant. Chevrons Chevrons Chevrons "fermés" "ouverts" "ouverts" (ouverture (ouverture 10%) 30%( hors inv.) Cov-relatif (%) 23 29 32 23 r cas (figure 5) Cov-relatif (%) 4 17 19 - tne cas (fïgure6 ) 25 Tableau 1 : comparaison du Cov relatif entre l'entrée du garnissage et 40 cm au dessus pour différents garnissages selon l'art antérieur, et selon l'invention REVENDICATIONS1) Garnissage permettant de réaliser un contact homogène entre une phase gaz et une phase solide dispersée évoluant à contre-courant, ledit garnissage étant caractérisé par une structure tridimensionnelle consistant en un ensemble de lignes de chevrons, ces lignes sensiblement parallèles se répartissant selon deux plans formant un angle alpha compris entre 20 et 70°, et préférentiellement compris entre 45 et 60°, par rapport à l'horizontale, et chaque ligne de chevron étant elle-même caractérisée par un angle beta constituant l'arrête du chevron, cet angle beta étant compris entre 60 et 120°, et préférentiellement compris entre 70 et 110 °, la largeur d'un chevron étant comprise entre 3 et 40 cm, préférentiellement entre 5 et 15 cm, deux lignes de chevrons voisines dans un même plan étant séparées d'un espace à peu près égal à la largeur d'une ligne de chevrons, les lignes de chevrons appartenant au second plan se situant précisément dans les intervalles laissés libres par les lignes de chevron du premier plan de manière à former une structure en quinconce. 2) Garnissage à structure tridimensionnelle selon la revendication 1, dans lequel les arrêtes de chaque ligne de chevrons sont ouvertes, la largeur de ladite ouverture étant comprise entre 5% et 30%, et préférentiellement entre 8% et 25% de la largeur des chevrons. 3) Procédé de craquage catalytique utilisant le garnissage selon la revendication 1, comme moyen d'améliorer le contact entre la phase gaz ascendante et la phase émulsion descendante, dans le stripeur, la vitesse de fluidisation étant comprise entre 10 cm/s et 40 cm/s et le flux solide entre 10 et 250 kg/m2.s, préférentiellement entre 20 et 180 kg/m2.s. 4) Application du garnissage à structure tridimensionnelle selon la revendication 1, au procédé de craquage catalytique de coupes hydrocarbonées lourdes (R2R). 5) Application du garnissage à structure tridimensionnelle selon la revendication 1, au procédé de craquage catalytique de coupes légères ( NCC). 3059914 11 6) Application du garnissage à structure tridimensionnelle selon la revendication 1, au procédé de craquage catalytique poussée de coupes hydrocarbonées ( DCC). 7) Procédé de fabrication du garnissage selon la revendication 1, utilisant la technique dite de fabrication additive, par exemple la fusion sélective par laser, le frittage 5 sélectif par laser, ou encore le dépôt fil tendu.