Brevet FR3100992A1 — publié le 20210326

La présente invention concerne un séparateur gaz/liquide comportant : - une enceinte composée d’une partie supérieure cylindrique (11b) surmontant une partie inférieure cylindrique (11a) se prolongeant par un fond à section décroissante (11c), - une conduite d’entrée (2) pour un effluent gaz/liquide munie d’une extrémité coudée (19) débouchant dans la partie inférieure, - une conduite de sortie (13) dans le fond pour un flux de liquide séparé, - un cyclone interne (8) à corps cylindro-conique comportant une entrée tangentielle situé dans la partie supérieure pour un mélange gaz/liquide, un tube de sortie d’un flux de gaz séparé au sommet dudit corps et débouchant à l’extérieur de l’enceinte, et une ouverture à la base dudit corps connectée à une jambe de retour (9) pour le liquide débouchant dans une zone de garde liquide au fond de l’enceinte , - des moyens d’injection d’un liquide diluant (7, 3) dans ledit cyclone. Figure 1 à publier Séparateur gaz/liquide haute pression et procédé de séparation mettant en œuvre un tel séparateur La présente invention concerne le domaine de la séparation gaz/liquide d’effluents biphasiques, de préférence d’effluents hydrocarbonés issus du raffinage du pétrole. De nombreux procédés de l’industrie font appel à des dispositifs de séparation gaz liquide. Dans le domaine du raffinage du pétrole en particulier, des séparateurs gaz/liquide haute pression sont classiquement utilisés pour séparer le liquide du gaz d’effluents biphasiques provenant de réacteurs d’hydroconversion ou d’hydrotraitement de charges pétrolières. Parmi ceux-ci, les ballons de séparation dit ballons de « flash » reçoivent par exemple l’effluent hydroconverti ou hydrotraité à haute pression, pouvant typiquement être comprise entre 2 MPa et 38 MPa. La température est généralement inférieure à celle des réacteurs dont sont issus les effluents, et une séparation du liquide plus lourd et du gaz plus léger s’opère, avec évacuation par le haut du ballon du gaz et par le bas du liquide. On connait aussi des dispositifs de séparation plus sophistiqués, tel que le séparateur gaz/liquide utilisé dans un procédé de conversion d’hydrocarbures décrit dans le brevet EP1086734. Celui-ci comporte trois sections différentes : un séparateur primaire pour les écoulements à G/L compris entre environ 0.1 et 10, un séparateur secondaire pour les écoulements à G/L compris entre environ 10 et 50, et un système limitant la formation de vortex liquide formé de pales adhérant à la paroi au fond du séparateur, G/L étant le rapport des débits massiques gaz/liquide. Le séparateur primaire est un tube avec une sortie tangentielle, pouvant comporter une hélice interne, et le séparateur secondaire est un cyclone interne. Un tel dispositif est capable de fonctionner correctement pour les faibles valeurs de variation de masse volumique entre le liquide et le gaz Δρ (ρ L -ρ G , proche de 500 kg/m 3 ) et pour une large gamme de rapport des débits massiques G/L, ainsi que continuer à fonctionner lorsque la phase liquide contient des particules solides de nature organique ou minérale. Les particules solides ne sont pas les seules à poser un problème pour la séparation liquide-gaz et le procédé traitant ensuite la phase gaz récupérée. Ainsi, la présence de gouttelettes de liquide dans le gaz issu du séparateur, notamment de liquide «encrassant», peut poser de sérieux problèmes dans les procédés en aval traitant le flux gazeux. Un tel liquide peut être constitué par exemple par la partie non convertie de la charge d’hydrocarbures encore présente dans l’effluent issu du réacteur d’hydroconversion. Dans le cas par exemple où le flux gazeux est envoyé dans une section de désulfuration mettant en œuvre un catalyseur d’hydrodésulfuration en lit fixe, comme décrit dans le brevet US6620311, ces gouttelettes de liquide encrassant réduisent les performances et la durée de cycle du catalyseur d’hydrodésulfuration. En effet, la présence de précurseurs de coke et des sédiments présents initialement dans la charge lourde et/ou formés lors de l’hydroconversion de la charge conduit généralement au cokage et à la désactivation du catalyseur. Parfois même il n’est tout bonnement pas envisageable d’envoyer le flux gazeux issu du séparateur dans une section aval d’hydrotraitement en lit fixe car la durée de cycle du catalyseur serait trop courte. En outre, la nature du liquide envoyé dans le séparateur, notamment la portion de liquide encrassant, nuit au bon fonctionnement du séparateur dans lequel des dépôts de sédiments issus de composés lourds peuvent se former dans le séparateur, pouvant aller jusqu’à la mise en hors état de fonctionnement du séparateur. Il existe ainsi un besoin d’améliorer la séparation gaz/liquide utilisée dans les procédés d’hydroconversion de charges pétrolières, et plus largement utilisée dans tout procédé où l’on rencontre des liquides encrassants susceptibles de former de coke et/ou des sédiments, et où l’on souhaite éviter l’entrainement de gouttelettes de tels liquides encrassants dans le gaz séparé. La présente invention peut se définir comme un dispositif amélioré de séparation gaz/liquide des effluents issus de réacteurs triphasiques fonctionnant en lit bouillonnant de type H-Oil TM 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. Objectifs et Résumé de l’invention La présente invention a pour objectif de permettre une bonne séparation gaz/liquide, tout en réduisant la concentration en liquide encrassant en sortie gaz du séparateur. Un autre objectif de la présente invention est de fournir un séparateur gaz/liquide dans lequel le risque d’encrassement est réduit au sein du séparateur. Ainsi, pour atteindre au moins l'un des objectifs susvisés, et surmonter les inconvénients de l’art antérieur décrits plus haut, la présente invention propose, selon un premier aspect, un séparateur gaz/liquide comportant une enceinte composée d’une partie supérieure cylindrique surmontant une partie inférieure cylindrique se prolongeant par un fond à section décroissante, et comprenant : - une conduite d’entrée pour un effluent comportant du gaz et de liquide, l’extrémité de ladite conduite d’entrée débouchant dans ladite partie inférieure cylindrique et comportant au moins un coude, - une conduite de sortie située dans ledit fond pour un flux de liquide séparé, - un cyclone à corps cylindro-conique interne à ladite enceinte, et comportant un tube d’entrée tangentielle d’un mélange gaz/liquide, situé dans la partie supérieure de ladite enceinte, un tube de sortie d’un flux de gaz séparé au sommet du corps cylindro-conique débouchant à l’extérieur de ladite enceinte du séparateur, et une ouverture à la base du corps cylindro-conique connectée à une jambe de retour pour le liquide débouchant dans une zone de garde liquide au fond de ladite enceinte , - des moyens d’injection d’un liquide diluant) dans ledit cyclone. Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, les moyens d’injection de liquide comportent une première injection de liquide diluant dans le tube d’entrée du cyclone. Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, les moyens d’injection de liquide comportent une deuxième injection de liquide diluant dans le tube de sortie du gaz dudit cyclone. Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, ledit au moins un coude de l’extrémité de ladite conduite d’entrée comporte une sortie de diamètre D2 compris entre 0,2xD1 et 5xD1, D1 étant le diamètre de la conduite d’entrée, et l’angle β formé par le coude est compris entre 5° et 200°, de préférence compris entre 10° et 180°. Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, le diamètre D1 de la conduite d’entrée est déterminé de manière à ce que la vitesse superficielle du gaz entrant dans la partie inférieure de l’enceinte dudit séparateur gaz/liquide soit comprise entre 1 m/s et 50 m/s, de préférence entre 2 m/s et 30 m/s. Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, l’extrémité de ladite conduite d’entrée comprend un enchainement de plusieurs coudes orientés dans des directions différentes, de préférence un double coude. Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, le diamètre D3 de la partie inférieure de l’enceinte est compris entre 0,5xD4 et D4, D4 étant le diamètre de ladite partie supérieure de l’enceinte, et de préférence D3 est inférieur à D4. Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, le diamètre D4 de la partie supérieure de l’enceinte est déterminée de manière à ce que la vitesse superficielle du gaz entrant dans la partie supérieure de l’enceinte soit comprise entre 0,01 m/s et 0,4 m/s de préférence entre 0,01 m/s et 0,3 m/s. Selon un deuxième aspect, la présente invention propose un procédé de séparation dans lequel on envoie ledit effluent dans un séparateur gaz/liquide selon l’invention, on réalise une première séparation centrifuge du liquide et du gaz contenus dans ledit effluent à l’extrémité de la conduite d’entrée dudit effluent, on réalise une deuxième séparation centrifuge du liquide et du gaz d’un mélange gaz/liquide envoyé dans le cyclone, on injecte un liquide diluant dans le cyclone du séparateur, et on évacue un flux de gaz séparé au sommet du séparateur et un flux de liquide séparé au fond du séparateur. Selon une ou plusieurs mises en œuvre de l’invention, on injecte le liquide diluant selon un premier flux par une première injection dans le tube d’entrée du cyclone, et également de préférence selon un deuxième flux par une deuxième injection dans le tube de sortie du cyclone. Selon une ou plusieurs mises en œuvre de l’invention, le débit du premier flux de liquide diluant est déterminé de manière à ce que le temps de résidence du liquide dans la jambe de retour du cyclone soit compris entre 5 s et 180 s, de préférence entre 20 s et 120 s. Selon une ou plusieurs mises en œuvre de l’invention, la vitesse superficielle du gaz du mélange gaz liquide entrant dans ledit cyclone est comprise entre 1 m/s et 40 m/s, de préférence entre 2 m/s et 30 m/s. Selon une ou plusieurs mises en œuvre de l’invention, la vitesse superficielle du gaz de l’effluent entrant par la conduite d’entrée dans la partie inférieure de l’enceinte dudit séparateur gaz/liquide est comprise entre 1 m/s et 50 m/s, de préférence entre 2 m/s et 30 m/s. Selon une ou plusieurs mises en œuvre de l’invention, on effectue une troisième séparation du gaz et du liquide par élutriation dans la partie supérieure cylindrique de l’enceinte de diamètre D4 plus important que le diamètre D3 de la partie inférieure cylindrique, et la vitesse superficielle du gaz dans la partie supérieure cylindrique est comprise entre 0,01 m/s et 0,4 m/s de préférence entre 0,01 m/s et 0,3 m/s. Selon une ou plusieurs mises en œuvre de l’invention, l’effluent envoyé dans le séparateur est un effluent d’hydrocarbures issu d’une unité de raffinage du pétrole, de préférence issu de l’hydroconversion d’un résidu sous vide, et le liquide diluant est un liquide hydrocarboné, de préférence comprenant une coupe gazole bouillant à une température comprise entre 250°C et 380°C. D’autres objets et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d’exemples de réalisations particuliers de l’invention, donnés à titre d’exemples non limitatifs, la description étant faite en référence aux figures annexées décrites ci-après. Liste des figures La figure 1 est un schéma représentatif, en coupe, du séparateur gaz/liquide cyclonique selon l’invention. La figure 2 représente un détail, en coupe, de l’entrée du séparateur gaz/liquide cyclonique illustré à la figure 1. La figure 3 est un schéma illustratif selon une vue isométrique du cyclone 8 interne au séparateur selon l’invention représenté à la figure 1. La figure 4 est un schéma illustratif, selon une vue de dessus partielle, d’un exemple de mise en œuvre d’injections latérales de liquide recyclé et/ou d’appoint à l’intérieur de la partie inférieure cylindrique et du fond du séparateur selon un mode de réalisation de l’invention. La Figure 5A est un schéma en vue isométrique illustrant un exemple de mise en œuvre d’un système limitateur de vortex dans le fond du séparateur selon un mode de réalisation de l’invention. La Figure 5B est un schéma en vue de haut du même exemple illustré à la figure 5A. La Figure 6 est un schéma en coupe détaillée d’une lame du système limitateur de vortex tel qu’illustré aux figures 5A et 5B, selon un exemple de réalisation où la lame est évidée sur une partie de sa longueur. Sur les figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues. Séparateur gaz/liquide comportant une enceinte composée d’une partie supérieure cylindrique (11b) surmontant une partie inférieure cylindrique (11a) se prolongeant par un fon à section décroissante (11c), et comprenant : - une conduite d’entrée (2) pour un effluent comportant du gaz et de liquide, l’extrémité (19) de ladite conduite d’entrée débouchant dans ladite partie inférieure cylindrique (11a) et comportant au moins un coude, - une conduite de sortie (13) située dans ledit fond (11c) pour un flux de liquide séparé, - un cyclone (8) à corps cylindro-conique interne à ladite enceinte, et comportant un tube d’entrée tangentielle (En) d’un mélange gaz/liquide (5bis), situé dans la partie supérieure de ladite enceinte, un tube de sortie (So) d’un flux de gaz séparé au sommet du corps cylindro-conique débouchant à l’extérieur de ladite enceinte du séparateur, et une ouverture à la base du corps cylindro-conique connectée à une jambe de retour (9) pour le liquide débouchant dans une zone de garde liquide au fond de ladite enceinte , - des moyens d’injection d’un liquide diluant (7, 3) dans ledit cyclone (8). Séparateur selon la revendication 1, dans lequel les moyens d’injection de liquide comportent une première injection (7) de liquide diluant dans le tube d’entrée ( En ) dudit cyclone (8). Séparateur selon la revendication 2, dans lequel les moyens d’injection de liquide comportent une deuxième injection (3) de liquide diluant dans le tube de sortie ( So ) du gaz dudit cyclone (8). Séparateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un coude de l’extrémité de ladite conduite d’entrée (2) comporte une sortie de diamètre D2 compris entre 0,2xD1 et 5xD1, D1 étant le diamètre de la conduite d’entrée (2), et l’angle β formé par le coude est compris entre 5° et 200°, de préférence compris entre 10° et 180°. Séparateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre D1 de la conduite d’entrée (2) est déterminé de manière à ce que la vitesse superficielle du gaz entrant dans la partie inférieure de l’enceinte dudit séparateur gaz/liquide soit comprise entre 1 m/s et 50 m/s, de préférence entre 2 m/s et 30 m/s. Séparateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’extrémité de ladite conduite d’entrée (2) comprend un enchainement de plusieurs coudes orientés dans des directions différentes, de préférence un double coude. Séparateur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre D3 de la partie inférieure de l’enceinte (11a) est compris entre 0,5xD4 et D4, D4 étant le diamètre de ladite partie supérieure (11b) de l’enceinte, et de préférence D3 est inférieur à D4. Séparateur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite partie supérieure (11b) de l’enceinte a un diamètre D4 déterminé de manière à ce que la vitesse superficielle du gaz entrant dans la partie supérieure de l’enceinte soit comprise entre 0,01 m/s et 0,4 m/s de préférence entre 0,01 m/s et 0,3 m/s. Procédé de séparation d’un effluent comportant du gaz et du liquide, dans lequel on envoie ledit effluent dans un séparateur gaz/liquide selon l’une des revendications 1 à 8, on réalise une première séparation centrifuge du liquide et du gaz contenus dans ledit effluent (1) à l’extrémité de la conduite d’entrée (2) dudit effluent, on réalise une deuxième séparation centrifuge du liquide et du gaz d’un mélange gaz/liquide (5bis) envoyé dans le cyclone (8), on injecte un liquide diluant dans ledit cyclone dudit séparateur gaz/liquide, et on évacue un flux de gaz séparé au sommet du séparateur et un flux de liquide séparé au fond dudit séparateur. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on injecte ledit liquide diluant selon un premier flux par une première injection (7) dans le tube d’entrée ( En ) dudit cyclone (8), et également de préférence selon un deuxième flux par une deuxième injection (3) dans le tube de sortie ( So ) dudit cyclone (8). Procédé selon la revendication 10, dans lequel le débit massique du premier flux de liquide diluant est compris entre 0,1% et 30% du débit liquide massique de l’effluent (1). Procédé selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel la vitesse superficielle du gaz du mélange gaz liquide entrant dans ledit cyclone (8) est comprise entre 1 m/s et 40 m/s, de préférence entre 2 m/s et 30 m/s. Procédé selon l’une quelconque des revendications 9 à 12, dans lequel la vitesse superficielle du gaz de l’effluent entrant par la conduite d’entrée (2) dans la partie inférieure (11a) de l’enceinte dudit séparateur gaz/liquide est comprise entre 1 m/s et 50 m/s, de préférence entre 2 m/s et 30 m/s. Procédé selon l’une quelconque des revendications 9 à 13, dans lequel on effectue une troisième séparation du gaz et du liquide par élutriation dans la partie supérieure cylindrique (11b) de l’enceinte dudit séparateur de diamètre D4 plus important que le diamètre D3 de la partie inférieure cylindrique (11a), et la vitesse superficielle du gaz dans ladite partie supérieure (11b) est comprise entre 0,01 m/s et 0,4 m/s de préférence entre 0,01 m/s et 0,3 m/s. Procédé selon l’une quelconque des revendications 9 à 14, dans lequel l’effluent envoyé dans le séparateur est un effluent d’hydrocarbures issu d’une unité de raffinage du pétrole, de préférence issu de l’hydroconversion d’un résidu sous vide, et le liquide diluant est un liquide hydrocarboné, de préférence comprenant une coupe gazole bouillant à une température comprise entre 250°C et 380°C.