Brevet FR3104470A1 — publié le 20210618

La présente invention concerne un dispositif de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides comprenant un enceinte de séparation (11) renfermant de bas en haut : une sortie de catalyseur strippé (12), une chambre de stripage (13) adaptée pour alimenter l’enceinte de séparation (11) avec un gaz de stripage, un séparateur gaz/solide (14) communiquant avec un réacteur central (21) dans lequel circulent le mélange gazeux et les particules solides à séparer, un second étage de séparation (15), et une sortie d'effluents gazeux (16), le dispositif de séparation et de stripage comprenant en outre des internes de perte de charge (22) installés dans la partie supérieure de l’enceinte de séparation (11). Figure 2 à publier Dispositif et procédé de séparation gaz-solide de craquage catalytique en lit fluidisé avec internes de perte de charge. L'invention concerne le domaine du raffinage et de la pétrochimie et des procédés et dispositifs de transformation chimique de produits pétroliers, notamment d’un brut pétrolier par craquage catalytique en lit fluidisé (« fluid catalytic cracking » ou FCC selon la terminologie anglo-saxonne). Une unité FCC est classiquement utilisée dans le raffinage pour convertir une charge lourde, caractérisée par une température de début d’ébullition proche de 340°C, souvent supérieure à 380°C, en produits plus légers pouvant être utilisés comme carburants, notamment en essence, premier produit d’une unité FCC, caractérisé par des températures de début d’ébullition proche de l’ambiant et par des températures de fin d’ébullition de 160°C voire 220°C selon que l’on parle d’essence légère ou pas. La figure 1 présente un schéma d'unité FCC de référence. Une charge 1 pulvérisée sous forme de fines gouttes est introduite au fond d'un réacteur à lit entrainé gaz-solide ascendant 2 (« riser » selon la terminologie anglo-saxonne ; nommé ci-après réacteur central) où elle est mélangée à une source de catalyseur solide 3 provenant d'un régénérateur 4. En tête de réacteur central 2, le mélange gaz/solide est séparé dans une enceinte de séparation 5 comprenant notamment un séparateur gaz/solide interne 6. En sortie du séparateur gaz/solide 6, un gaz est dirigé vers un second étage de séparation 7 afin d’éliminer les fines particules solides présentes dans le gaz et d’évacuer le gaz vers une sortie d'effluents gazeux 8 disposée sur l’extrémité haute de l’enceinte de séparation 5. Des particules solides (i.e., catalyseur coké) issues du séparateur gaz/solide 6 sont également distribuées vers une chambre de stripage 9, dans laquelle les particules solides sont mises en contact à contre-courant avec un gaz de stripage afin de libérer les potentiels hydrocarbures restés adsorbés à la surface du catalyseur coké. Le gaz de stripage et les hydrocarbures désorbés rejoignent le gaz précédemment séparé tandis que le catalyseur coké est soutiré en continu en pied de la chambre de stripage 9. Le catalyseur coké est ensuite dirigé vers la base du régénérateur 4 où la combustion exothermique du coke régénère et chauffe le catalyseur. Enfin, le catalyseur régénéré et chauffé est réinjecté en fond de réacteur central 2 afin d’entretenir les réactions de craquage catalytique. Le brevet FR2767715 et la demande US20180216012 décrivent des exemples d’enceintes de séparation d’une unité FCC, dans lesquelles les gaz peuvent circuler librement entre la chambre de stripage et le second étage de séparation. Un premier objet de la présente description est de diminuer les réactions secondaires non souhaitées dans les unités FCC, et de contribuer ainsi à augmenter l’efficacité des séparateurs gaz/solide des unités FCC. Ces réactions secondaires sont généralement le résultat d’un temps de séjour trop long de la phase gaz dans le réacteur ou dans l’enceinte de séparation qui entraine un sur-craquage de la charge ou des hydrocarbures formés et une diminution des rendements des produits désirés. A cette fin, un dispositif et un procédé de séparation et de stripage capables de diminuer le temps de séjour des mélanges gazeux dans l’enceinte de séparation, sont décrits ci-après. Selon un premier aspect, la présente invention concerne un dispositif de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides comprenant un enceinte de séparation renfermant de bas en haut : une sortie de catalyseur strippé, une chambre de stripage adaptée pour alimenter l’enceinte de séparation avec un gaz de stripage et communiquant avec un séparateur gaz/solide, le séparateur gaz/solide comprenant une pluralité de chambres de séparation et une pluralité de chambres de préstripage, communiquant avec un réacteur central dans lequel circulent le mélange gazeux et les particules solides à séparer, et communiquant avec un second étage de séparation, le second étage de séparation, et une sortie d'effluents gazeux, le dispositif de séparation et de stripage comprenant en outre des internes de perte de charge installés dans la partie supérieure de l’enceinte de séparation. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge comprennent des garnissages, et/ou des plaques inclinées disposées en chicanes et/ou une ou plusieurs plaques perforées. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge comprennent des garnissages. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge comprennent une ou plusieurs plaques perforées. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge sont adaptés pour présenter une variation de pression ΔP entre la partie inférieure et la partie supérieure de l’enceinte de séparation, la variation de pression ΔP étant supérieure à la variation de pression entre la chambre de préstripage et le second étage de séparation. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge sont adaptés pour présenter une variation de pression d’au moins 3 kPa. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge sont adaptés pour présenter une variation de pression comprise entre 4 kPa et 50 kPa. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge sont disposés au-dessus de l’extrémité inférieure des chambres de préstripage. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge sont traversés par des jambes de retour de cyclones du second étage de séparation. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge sont disposés au-dessus de l’extrémité inférieure des chambres de préstripage et au-dessous de l’extrémité supérieure du séparateur gaz/solide. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge sont disposés en couronne autour du séparateur gaz/solide. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge sont disposés à une hauteur correspondant au rayon le plus grand de la paroi externe du séparateur gaz/solide. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge sont disposés au-dessus du séparateur gaz/solide. Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne une unité de craquage catalytique en lit fluidisé comprenant le dispositif de séparation et de stripage selon le premier aspect. Selon un troisième aspect, la présente invention concerne un procédé de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides utilisant le dispositif de séparation et de stripage selon le premier aspect, ou l’unité de craquage catalytique en lit fluidisé selon le deuxième aspect, ledit procédé comprenant d’instaurer une variation de pression ΔP (e.g. au moyen du gaz de stripage) entre la partie inférieure et la partie supérieure de l’enceinte de séparation, la variation de pression étant supérieure à la variation de pression entre la chambre de préstripage et le second étage de séparation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention des aspects précités, apparaîtront à la lecture de la description ci-après et d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. Liste des figures La figure 1 montre un schéma d’une unité FCC de référence. La figure 2 montre un schéma d'une enceinte de séparation d’une unité FCC selon la présente invention. Description détaillée de l'invention Des modes de réalisation du dispositif selon le premier aspect vont maintenant être décrits en détail. Dans la description détaillée suivante, de nombreux détails spécifiques sont exposés afin de fournir une compréhension plus approfondie du dispositif. Cependant, il apparaîtra à l’homme du métier que le dispositif peut être mis en œuvre sans ces détails spécifiques. Dans d’autres cas, des caractéristiques bien connues n’ont pas été décrites en détail pour éviter de compliquer inutilement la description. Dans ce qui suit, le terme « comprendre » est synonyme de (signifie la même chose que) « inclure » et « contenir », et est inclusif ou ouvert et n’exclut pas d’autres éléments non récités. Il est entendu que le terme « comprendre » inclut le terme exclusif et fermé « consister ». Le dispositif de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides selon la présente invention est applicable aux unités de séparation gaz/solide, et plus particulièrement aux enceintes de séparation des unités FCC. En référence à la figure 2, le dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention comprend une enceinte de séparation 11 renfermant (de bas en haut) une sortie de catalyseur strippé 12, une chambre de stripage 13, un séparateur gaz/solide interne 14, un second étage de séparation 15 (comprenant par exemple un ou plusieurs cyclones) et une sortie d'effluents gazeux 16. La chambre de stripage 13 comprend un ou plusieurs dispositifs d’alimentation de gaz de stripage 17 (e.g. vapeur d’eau). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la chambre de stripage 13 comprend des moyens d’uniformisation de l’écoulement 18 des particules solides (i.e., catalyseur coké) situés dans la partie supérieure de ladite chambre de stripage 13, et permettant notamment de favoriser le contact entre lesdites particules solides et le gaz de stripage. Ces moyens favorisant l'uniformisation de l'écoulement gaz solide peuvent être des plaques inclinées disposées en chicanes, des garnissages (« packing » selon la terminologie anglo-saxonne) optionnellement structurés ou d'autres moyens dont une description non limitante peut être trouvée dans les brevets, US 2440620, US 2472502, US 2481439 ou US 6224833 ou dans des livres tels que "matériel et équipement", tome 4 de l'encyclopédie le raffinage du pétrole, de P. Trambouze édité aux éditions Technip, 1999. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le séparateur gaz/solide 14 est défini par une enveloppe contenant une pluralité de chambres de séparation 19 et une pluralité de chambres de préstripage 20 réparties de manière alternée autour (e.g. de l’extrémité haute) d’un réacteur central 21 de forme (e.g. tubulaire) sensiblement verticale et allongée, fermé par une section supérieure, et dans lequel circulent le mélange gazeux et les particules solides à séparer. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la charge du réacteur central 21 est généralement une charge lourde, caractérisée par une température de début d’ébullition proche de 340°C, souvent supérieure à 380°C, telle qu’une coupe lourde, par exemple issue d’une unité de distillation sous vide, telle que du gazole sous vide (« vacuum gas oil » ou « VGO » selon la terminologie anglo-saxonne), un résidu sous vide, un gasoil de cokéfaction, un recycle d’une étape d’hydrocraquage, seuls ou en mélange. Au contact du catalyseur solide chaud, la charge pulvérisée se vaporise et des réactions endothermiques de craquage se produisent le long du réacteur central 21 diminuant ainsi la température et produisant des produits valorisables (e.g. du gaz C 1 -C 4 ; une coupe essence ; une coupe gasoil léger (« Light Cycle Oil » ou LCO selon la terminologie anglo-saxonne) ; une coupe gasoil lourd (« Heavy Cycle Oil » ou HCO selon la terminologie anglo-saxonne) ; et une huile en forme de boue (« slurry » selon la terminologie anglo-saxonne)) et un résidu solide (coke) adsorbé sur le catalyseur (nommé ci-après particules solides). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les conditions opératoires du réacteur central 21 sont les suivantes : vitesse superficielle gaz : entre 3 et 35 m/s ; température : entre 500 et 700°C et de préférence inférieure à 650°C ; pression : entre 0,1 et 0,6 MPaa ; temps de contact inférieur à 1 seconde ; et un rapport massique du catalyseur sur la charge C/O : entre 3 et 50. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les chambres d'un même type, séparation 12 ou préstripage 13, ont généralement la même dimension, en particulier une section horizontale avec le même angle d'ouverture par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les chambres de séparation 12 et de préstripage 13, ont la même dimension, en particulier une section horizontale avec le même angle d'ouverture par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les chambres de séparation 12 et/ou les chambres de préstripage 13 présentent des sections horizontales avec des angles d'ouverture différents. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, il existe une symétrie axiale des chambres 19 et 20 autour de l'axe central Z du réacteur central 21. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le nombre de chambres de séparation 19 varie entre 1 et 8, préférentiellement entre 2 et 4. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le nombre de chambres de préstripage 20 varie entre 1 et 8, préférentiellement entre 2 et 4. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le nombre de chambres de séparation 19 et le nombre de chambres de préstripage 20 sont identiques. En référence à la figure 2, le dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention comprend en outre des internes de perte de charge 22 installés dans la partie supérieure de l’enceinte de séparation 11, à l’extérieur du séparateur gaz/solide 14. Avantageusement, les internes de perte de charge 22 permettent de limiter la présence de catalyseur dans l’enceinte au-dessus des internes, et de limiter ainsi les réactions secondaires de craquage non désirées dans l’enceinte de séparation 11. Avantageusement, les internes de perte de charge 22 forcent le gaz et le solide à pénétrer dans les chambres de préstripage 20 du séparateur gaz/solide 14 et à ne pas s’accumuler dans la partie supérieure de l’enceinte de séparation 11. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge 22 comprennent des garnissages optionnellement structurés, et/ou des plaques inclinées disposées en chicanes, et/ou une ou plusieurs plaques perforées. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge 22 comprennent des garnissages optionnellement structurés. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge 22 comprennent une ou plusieurs plaques perforées. Des exemples de garnissages, de plaques inclinées disposées en chicanes et de plaques perforées peuvent être trouvées dans les brevets US 2440620, US 2472502, US 2481439, US 6224833 ou dans des livres tels que "matériel et équipement", tome 4 de l'encyclopédie le raffinage du pétrole, de P. Trambouze édité aux éditions Technip, 1999. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge 22 sont adaptés pour présenter une variation (engendrer une différence) de pression ΔP , entre la partie supérieure (e.g. partie au-dessus du séparateur gaz/solide 14) et la partie inférieure (e.g. partie au-dessous du séparateur gaz/solide 14) de l’enceinte de séparation 11, supérieure à la variation de pression entre la chambre de préstripage 20 et le second étage de séparation 15. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge 22 sont adaptés pour présenter une variation de pression ΔP d’au moins 30 mbar (3 kPa), préférablement entre 40 mbar (4 kPa) et 500 mbar (50 kPa), et très préférablement entre 50 mbar (5 kPa) et 300 mbar (30 kPa), tel que par exemple entre 100 mbar (10 kPa) et 250 mbar (25 kPa). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge 22 sont adaptés pour générer, en fonctionnement du dispositif, une pression au-dessous du séparateur gaz/solide 14 supérieure à la pression au-dessus du séparateur gaz/solide 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge 22 sont installés au-dessus de l’extrémité inférieure 23 des chambres de préstripage 20. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge 22 sont installés au-dessus de l’extrémité inférieure 23 des chambres de préstripage 20 du séparateur gaz/solide 14 et au-dessous de l’extrémité supérieure 24 du séparateur gaz/solide 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge 22 sont installés en couronne autour du séparateur gaz/solide 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge 22 sont installés entre la paroi externe du séparateur gaz/solide 14 et la paroi interne de l’enceinte de séparation 11. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge 22 sont installés à une hauteur correspondant au rayon le plus grand de la paroi externe du séparateur gaz/solide 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge 22 sont traversés par les jambes de retour (« diplegs » selon la terminologie anglo-saxonne) des cyclones du second étage de séparation 15. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge 22 sont installés au-dessus du séparateur gaz/solide 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge 22 sont installés entre le séparateur gaz/solide 14 et l’extrémité haute du second étage de séparation 15. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les internes de perte de charge 22 sont installés au-dessus du séparateur gaz/solide 14 et autour des jambes de retour des cyclones du second étage de séparation 15. En fonctionnement, selon un ou plusieurs modes de réalisation, le mélange gazeux et les particules solides sortent du réacteur central 21 et entrent dans la chambre de séparation 19 du séparateur gaz/solide 14, dans laquelle les particules solides sont séparées et sont dirigées vers la chambre de stripage 13 et le mélange gazeux est dirigé vers la chambre de préstripage 20. Dans la chambre de préstripage 20, le mélange gazeux est entrainé vers le second étage de séparation 15 par un gaz de stripage ascendant distribué par la chambre de stripage 13. Le flux gazeux entrant dans le second étage de séparation 15 est séparé de particules solides résiduelles qui sont dirigées vers la chambre de stripage 13 au moyen des jambes de retour. Le flux gazeux est ensuite évacué vers la sortie d'effluents gazeux 16. Enfin, les particules solides sont strippées de gaz résiduel dans la chambre de stripage 13 et sont évacuées par la sortie de catalyseur strippé 12 vers un régénérateur (non montré). Le dispositif de séparation et de stripage selon l'invention peut fonctionner en respectant les conditions opératoires suivantes : vitesse gaz en tête de réacteur central 21 de 5 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 10 m/s à 25 m/s ; vitesse gaz à la jonction entre le réacteur central 21 et la chambre de séparation 19 de 5 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 10 m/s à 25 m/s ; vitesse gaz entre la chambre de séparation 19 et la chambre de préstripage 20 de 5 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 10 m/s à 25 m/s ; vitesse du gaz de stripage entrant dans la chambre de préstripage 20 de 0,3 m/s à 5 m/s, préférentiellement de 1 m/s à 4 m/s ; et flux de catalyseur sortant de la chambre de séparation 19 compris entre 10 et 300 kg/(m 2 .s), préférentiellement de 50 à 200 kg/(m 2 .s), avec par exemple des particules solides caractérisées par une masse volumique de grain comprise entre 1000 et 2000 kg/m 3 , et un diamètre moyen dit de "Sauter" compris entre 40 et 100 microns. Dans un exemple de réalisation, un interne de perte de charge 22 est installé dans l’espace vide entre la paroi externe du séparateur gaz-solide 14 (diamètre du séparateur gaz-solide 14 : 7 m) et la paroi interne de l’enceinte de séparation 11 (diamètre de l’enceinte de séparation 11 : 12 m) à une hauteur située au-dessus de la partie inférieure de la chambre préstripage 20. Spécifiquement, l’interne de perte de charge 22 est disposé en couronne autour du séparateur gaz/solide 14 (comme représenté sure la figure 2) en laissant également un passage pour les jambes de retour des cyclones du second étage de séparation 15. Cet interne de perte de charge 22 est de type plaque perforée, d’épaisseur 0,05 m contenant 500 orifices de 0,02 m de diamètre chacun. Sous ces conditions, l’interne de perte de charge génère une perte de charge d’environ 200 mbar (20 kPa) permettant de limiter la présence de gaz et de solide dans la partie supérieure de l’enceinte de séparation 11. Avantageusement, cet exemple permet de forcer le gaz et le solide à pénétrer dans les chambres de préstripage 20 du séparateur gaz solide 14 et de limiter les réactions secondaires de surcraquage non désirées. Dispositif de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides comprenant un enceinte de séparation (11) renfermant de bas en haut : - une sortie de catalyseur strippé (12), - une chambre de stripage (13) adaptée pour alimenter l’enceinte de séparation (11) avec un gaz de stripage et communiquant avec un séparateur gaz/solide (14), - le séparateur gaz/solide (14) comprenant une pluralité de chambres de séparation (19) et une pluralité de chambres de préstripage (20), communiquant avec un réacteur central (21) dans lequel circulent le mélange gazeux et les particules solides à séparer, et communiquant avec un second étage de séparation (15), - le second étage de séparation (15), et - une sortie d'effluents gazeux (16), le dispositif de séparation et de stripage comprenant en outre des internes de perte de charge (22) installés dans la partie supérieure de l’enceinte de séparation (11). Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 1, dans lequel les internes de perte de charge (22) comprennent des garnissages, et/ou des plaques inclinées disposées en chicanes et/ou une ou plusieurs plaques perforées. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les internes de perte de charge (22) comprennent des garnissages. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les internes de perte de charge (22) comprennent une ou plusieurs plaques perforées. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les internes de perte de charge (22) sont adaptés pour présenter une variation de pression ( ΔP ) entre la partie inférieure et la partie supérieure de l’enceinte de séparation (11), la variation de pression ( ΔP ) étant supérieure à la variation de pression entre la chambre de préstripage (20) et le second étage de séparation (15). Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les internes de perte de charge (22) sont adaptés pour présenter une variation de pression ( ΔP ) d’au moins 3 kPa. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les internes de perte de charge (22) sont adaptés pour présenter une variation de pression ( ΔP ) comprise entre 4 kPa et 50 kPa. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les internes de perte de charge (22) sont disposés au-dessus de l’extrémité inférieure (23) des chambres de préstripage (20). Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les internes de perte de charge (22) sont traversés par des jambes de retour de cyclones du second étage de séparation (15). Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les internes de perte de charge (22) sont disposés au-dessus de l’extrémité inférieure (23) des chambres de préstripage (20) et au-dessous de l’extrémité supérieure (24) du séparateur gaz/solide (14). Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les internes de perte de charge (22) sont disposés en couronne autour du séparateur gaz/solide (14). Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les internes de perte de charge (22) sont disposés à une hauteur correspondant au rayon le plus grand de la paroi externe du séparateur gaz/solide (14). Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les internes de perte de charge (22) sont disposés au-dessus du séparateur gaz/solide (14). Unité de craquage catalytique en lit fluidisé comprenant le dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications 1 à 13. Procédé de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides utilisant le dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, ou l’unité de craquage catalytique en lit fluidisé selon la revendication 14, ledit procédé comprenant d’instaurer une variation de pression ( ΔP ) entre la partie inférieure et la partie supérieure de l’enceinte de séparation (11), la variation de pression ( ΔP ) étant supérieure à la variation de pression entre la chambre de préstripage (20) et le second étage de séparation (15).