<Desc/Clms Page number 1>
PERFECTIONNEMENTS A LA COKEFACTION DE RESIDUS HYDROCARBONES LOURDS.
La présente invention est relative à un procédé de traitement d'hydrocarbures. L9invention se rapporte plus spécialement à un procédé perfectionné de cokéfaction de résidus hydrocarbonés lourds, tels que des matières brutes réduites où qui ont subi un topping, des brais, des asphal- tes ou matières de plus grande valeur.,, à point d'ébullition inférieur, com- prenant la gazoline, les huiles de chauffage et les gasoils, sous une pres- sion suffisante pour maintenir une phase liquide. Le perfectionnement de 1' invention consiste à diluer l'alimentation en huile résiduelle lourde avec. une huile de distillation légère de la gamme d'ébullitionsen naphte, et à cokéfier l'alimentation diluée en présence de solides subdivises, tout en maintenant une turbulence dans la phase liquide subissant la cokéfaction.
Dans le passer des huiles résiduaires lourdes, spécialement les résidus provenant d'une distillation de matières brutes sous pression atmos- phérique ou sous-le vide, ont été cokéfiés suivant des procédés intermit- ' tents, dans lesquels la charge d'alimentation est chauffée à des tempéra- tures de cokéfaction et déchargée en phase liquide dans un tambour de trem- page, à isolation thermique,, pour y séjourner-sous des conditions de coke- faction pendant un temps suffisant pour réaliser la conversion désirée en produits à point d'ébullition inférieur., Au cours de ce traitement à la chaleur, de grandes quantités de coke adhé- rent dur sont formées et se déposent sur les parois des serpentins de chauf- fage et du tambour de trempage.
A de fréquents intervalles.. le procédé doit être interrompu pour permettre l'enlèvement des dépôts de coke et pour em- ' pêcher ainsi un bouchage et une surchauffe de l'installation.
Diverses propositions ont été faites pour lutter contre la for- mation de coke d'une manière permettant une opération continue du procède de cokéfaction. Par exemple, des moyens d'agitation et de grattage de beau- coup de types ont été proposés pour être incorporés dans le tambour de trem-
<Desc/Clms Page number 2>
page en vue d'empêcher l'adhérence du coke aux parois du tambour et de pro- duire le coke sous la forme d'une masse à particules non adhérentes. qui peut être enlevée,d'une manière continuelle,du fond du tambour.
A côté du fait que les dimensions et la forme irrégulières du coke ainsi produit compliquent grandement son enlèvement continu uniforme, des méthodes de ce type n'empêchent pas un dépôt de coke dans les serpentins de chauffage, où le danger de surchauffe et d'affaiblissement dangereux des conduites est particulièrement granda Des méthodes plus intéressantes sont celles dans lesquelles un solide finement divisa tel que de la sciure de bois,du co- ke, du sable,ou matière similaire., est ajouté à l'alimentation avec pour résultat que le coke formé est déposé sur les solides ajoutés pour former des particules cokéfiées, de dimensions et de forme relativement uniformes,
qui peuvent être plus facilement enlevées en une opération continue et qui servent en même temps comme agents de nettoyage pour enlever des parois de l'installation, les dépôts de coke y adhèrent irrégulièrement. Cependant, ni l'expédient ci-dessus seul ni cet expédient en combinaison avec un moyen d'agitation du type suggéré ci-avant n'élimine l'encrassage du réacteur par un dépôt de coke. La présente invention surmonte cette difficultéo
Le principal objet de la présente invention consiste, par con- séquent, à fournir un moyen perfectionné pour empêcher un dépôt de coke sur les parois du réacteur dans des systèmes permettant la cokéfaction en phase liquide de résidus hydrocarbonés lourds.
D'autres objets et avanta- ges apparaîtront encore de la description de l'invention.. dans laquelle on se réfèrera aux dessins annexes.
La figure 1 est une vue semi-schématique d'un système permet- tant la mise en oeuvre d'une forme de réalisation préférée de l'invention.
Les figures 2 et 3 sont des vues similaires. à plus grande échel- le, de types de dispositifs de trempage convenant pour la réalisation de va- riantes préférées de l'invention.
On a maintenant trouvé que l'encresage du réachteur par dépôt de coke sur les parois dudit réacteur dans la cokéfaction à phase liquide d' huiles lourdes du type spécifié peut être complètement évité en diluant la charge d'alimentation avec un distillat léger de la gamme d'ébullitions du naphte, en réalisant la réaction de cokéfaction en présence d'une addition de solides de base, ou a grains subdivisés, et en maintenant les réactifs en un état de haute turbulence durant la réaction de cokéfaction.
La matière diluante et les solides de base sont ajoutés à l'alimentation en huile lourde avant le chauffage de cette dernière aux températures de co- kéfaction. Le diluant ajouté diminue la viscosité du mélange de réaction ét augmente ainsi sensiblement l'effet de nettoyage des solides et l'effet de turbulence, pour la formation d'une boueo En plus,, lorsque le diluant de la série du naphte est présent, le coke tend à se séparer sous forme d'un pré- cipité dur, noir visqueux, granulaire, qui ne colle pas aux parois du réci- pient; en l'absence du diluant, le coke se sépare d'abord.sous forme d'un précipité gommeux, adhérent qui colle aux parois et est ensuite finalement - converti en coke dur.
Le procédé de l'invention est applicable à tous les types dé résidus de distillation de matières brutes aussi bien qu'aux matières brutes proprement dites. Le diluant peut être un naphte non traité ou une fraction correspondante produite au cours du procédé de cokéfaction, ayant une gamme d'ébullitions d'environ 100 à 650 F., mais de préférence, environ 250 à 450 F,
Des proportions convenables de diluant peuvent varier d'environ 20 à 120% en volumesde préférence environ 50 à 100% en volumes, de l'alimentation en huile résiduelle totale, c'est-à-dire, de l'huile résiduelle fraiche plus les dépôts de recyclage,, s'il y en a.
Les solides de base peuvent être ceux que l'on connaît dans la pratique, tels que du coke,du sable, diverses argiles, un gel de silice, du kieselguhr, de la sciure de bois, etc.
Cependant, du coke, spécialement du coke produit au cours du procédé de co- kéfaction, est le solide préféré qui peut être employé en quantités d'environ
<Desc/Clms Page number 3>
EMI3.1
15 à 100 livres, de préférence .environ 30 .à 60 livres par bàril de l'alimen- tation totale en huile fraîche et de recyclageo Les dimensions de particules des solides de base peuvent varier dans de larges limitez, par exemple, d' environ 5 à 250 microns,, les dimensions les plus petites telles que de 5 à 50 microns étant préférées généralement.
La turbulence dans le mélange de réaction subissant une cokéfaction peut.être
EMI3.2
maintenue par divers moyens d'agitation mécaniques courants, par 1-linjection de l'alimentation par des tubes à tirage disposés dans la zone de cokéfaction, ou moyenè similaireso On préfère cependant créer la turbulence par injection tangentielle de l'ali-
EMI3.3
mentation dans l'extrémité large d'une série de tambours de trempage, du type coniques disposés en séries et par enlèvement du produit aux extrémités étroi- tes des tambours.
En ce qui concerne les conditions de la réaction de cokéfactions, on devrait utiliser des pressions suffisantes pour maintenir une concentration du diluant de l'ordre spécifié ci-avant dans le milieu de réaction liquide et pour empêcher la vaporisation de la plus grande partie des produits de coké- faction légers. Des pressions d'environ 1000 à 3000 livres par pouce carré.
EMI3.4
(pressions effectives)., de préférence 2000, conviennent aux températures et: conversions les plus désirables pour une cokéfaction à phase liquide. Ces
EMI3.5
températures peuvent varier entre environ 750 et environ 900 F, de préfé-¯ rence entre environ 800 à 850 F et devraient être mises en corrélation avec le temps de séjour de l'alimentation aux conditions de cokéfaction.
Par exem- ple9 aux températures de cokéfaction s'élevant jusqu9â environ 750 F, des temps de réaction d'environ 2 à 4 heures ou plus, par exemple, peuvent être - requis pour une conversion à 90, en produits bouillant en dessous de.10500F, tandis qu'aux températures atteignant 950 F ou plus,. une période de réac- tion de 2 à 10 minutes peut être suffisante pour le même buta A une tempe-
EMI3.6
rature de 775 Fs le temps de séjour peut être de 1 à 2 heures; à 8000fui de 1/2 à 1 heure; et à 850 F de 5 à 20 minutes pour la même conversion.
Ayant ainsi développé les objets et la nature générale de la présente inventions celle-ci sera mieux comprise grâce à la description plus détaillée suivante qui sera faite avec référence aux dessins.
- En se référant maintenant à la figure 1 des dessins, un résidu
EMI3.7
brut tel qu9un résidu provenant de la Louisiane du Sud (2a5 à 3 5µÉ) ayant une gravité d'environ 12 API et un indice de carbonisation Cônradson d'environ 17%, peut être alimenté par une conduite 1 et par une pompe 3 à une conduite 5, à une pression effective d'environ 1000 à 3000 livres par pouce carré.
Du coke de base frais ayant des dimensions de particules d'environ 5 à 100
EMI3.8
microns peut être fourni a la conduite 1 en provenance d?une trémie à ferme- ture 7 ou dispositif semblable pour amorcer l'opération et ces à certains intervalles, suivant la nscessitéo Cependant, en cours d'opération normale, le coke de base est, de prfrence fourni par une conduite 9 sous la forme d'une boue de coke produit broyé dans des dépôts de recyclage lourds et du naph- te lourd provenant du traitement de cokéfactions comme on le verra plus clai- rement ci-après.
En aval de la jonction avec la conduite 9, le contenu de la conduite 5 peut consister en un mélange d'environ 25 à 75% en volumes d' alimentation fraîche 5 à 45% en volumes de dépôts produits et 15 à 55% en volumes de naphte produit., ce mélange contenant environ 15 à 100 livres de coke de base, de 5 à 100 microns de dimensions de particules,par baril.
Cette boue est envoyée à travers un serpentin chauffé 11 disposé dans un fourneau 13a dans lequel elle est chauffée jusqu'à une température d'environ 800 à 850 F à une pression effective d'environ 2000 livres par pouce carré¯, plus ou moins.
EMI3.9
Le serpentin 11 est, de.pr6fgrence, conçu de manière que l'alimentation atteigne une vitesse d'au moins quatre pieds par seconde,,vitesse qui peut atteindre 10 pieds par'seconde .De cette manière., le flux à travers le serpentin 11¯est maintenu très turbulent.
Cette turbulence, en combinaison avec Inaction de''nettoyage du-coke de
EMI3.10
base et la présence du diluant de la série' du naphte.,i3mpêche 'un dépôt,,,de coke sur les parois du serpentin., même lorsqu'on a des temps de séjour suffisants'pour
<Desc/Clms Page number 4>
permettre une cokéfaction importante de l'alimentation dans ledit serpentin llo
La manière effluente du serpentin Il est envoyée sensiblement à la température et à la pression du serpentin Il.11 par une conduite 15,à la partie supérieure d'un trempeur ou système de trempage 17, dans lequel elle est maintenue en un état hautement turbulent, sensiblement à la tem- prature et à la pression du serpentin 11,
pendant un temps suffisant pour convertir environ 50 à 90% de 1?alimentation d'huile lourde en produits de distillation et en coke. Comme signala ci-avant, le temps requis à cet ef- fet dépend, pour une grande part, des températures dominantes. Aux condi- tions spécifiées ici, les temps de séjour totaux de l'alimentation à des températures supérieures à 800 F dans le serpentin 11 et le dispositif de trempage 17 peuvent varier entre environ 5 et 60 minutes. Des procédés con- venables pour créer une turbulence dans le dispositif de trempage 17 seront décrits ci-après avec référence aux figures 2 et 3.
Les produits coke',-*fiés contiennent des huiles de distillation et du diluant liquides.. des produits légers vaporisés.des gaz, de l'alimen- tation non convertie et du-coke de base en boue qui a maintenant des dimen- sions de parricules légèrement accrues du fait du dépôt de coke. Ce mélange produit est enlevé, par une conduite 19, de la base du dispositif de trem- page 17 et envoyé au dispositif dè fractionnement 23 des produits, après re- lâchement de la pression jusqu'à une-pression sensiblement atmosphérique dans une soupape de sûreté ou de dégagement 21. Le dispositif de fractionne- ment 23 fonctionne, de préférence, de manière que quatre fractions de dis- tillation soient produites comme suit.
Du gaz et du naphte léger bouillant en dessous d'environ 200 F - environ 4 à 8% en poids de gaz sec et 4 à 9% en volumes de naphte léger, % calculés sur l'alimentation en résidus - . sont enlevés au sommet du dispositif de fractionnement 23 par une conduite
25. Du naphte lourd ayant une gamme d'ébullitions d'environ 200 à 420 F et en une quantité d'environ 4 à 10% en volumes de l'alimentation en résidus est enlevé par une conduite 27. Ce naphte est une production nette en plus du naph- te diluant mélangé avec l'alimentation.
Une fraction d9huile de chauffage, bouillant entre environ 430 et 650 F et s'élevant jusqu'à environ 14 à 28% en volumes., peut être récupérées par une conduite 29, et un gasoil bouillant au-dessus de 650 F et s'élevant jusqu'à environ 12 à 27% en volumes de 1' alimentation en résidus peut être enlevé par une conduite 31. Des fractions non volatiles contenant le coke de base et le coke produit en suspension se rassemblent dans le fond du dispositif de fractionnement 23, où elles peuvent être libérées de matières plus légères par de la vapeur injectée par une con- duite 33. Ces dépôts lourds sont évacués par une conduite 35 en des quantités d'environ 10 à 50% en volumes de l'alimentation totale de résidus.
Les chiffres de rendement donnés ci-avant s'appliquent à une conversion d' alimentation de 50 à 90% en coke, gaz et liquide bouillant en dessous de
1050 F.Les dépôts lourds enlevés par la conduite 35 sont,,, de préférencetrai- tés à nouveau, comme expliqua¯ci-après.
Environ 50 à 70% en volumes des dépôts de la conduite 35 sont en- voyés dans une conduite 37 vers un dispositif de désagrégation 39,tel qu'un moulin à boulets courant, un moulin à tiges, ou dispositif semblable, dans lequel les particules de coke sont broyées aux dimensions de particules spé- cifiés ci-avant. qui sont désirables pour le coke de base. La boue conte- nant maintenant du coke de base fin est pompée par une pompe 41 dans une conduite 9 à la pression de la conduite 5,et mélangée avec le naphte pro- duit fourni à la même pression par la conduite 43, comme on le verra mieux ci-après. La totalité de la boue se trouvant dans la conduite 9 est envoyée à la conduite 5 et au serpentin 11, comme décrit ci-avant.
En revenant maintenant à la conduite 35, le-restant des dépôts du dispositif de fractionnement est envoyé par une conduite 45 à un disposi- tif convenable quelconque de filtrage, de préférence continu., tel qu'un fil- tre rotatif courant 47 coopérante par une conduite 49 et un réservoir d'amor- tissement 51, avec une-pompe à vide 53 prenant son aspiration à l'intérieur
<Desc/Clms Page number 5>
du filtre rotatif 47.La boue de dépôts dans la conduite'45 est envoyée à la surface du filtre 47.Une partie des constituants liquides est aspirée à l'intérieur du filtre 47 en laissant un gâteau humide de coke résultant du filtrage.
Lorsque le filtre tourne le gâteau de filtrage rencontre une vaporisation de naphte produit lourd venant de la conduite 27 par.un branchement 55 et un gicleur de vaporisation 57. La vitesse d'alimentation de naphte par le gi- cleur 57 peut être d'environ 0,1 à 1 volume par volume d'alimentation fraî- che Les dépôts liquides adhérant au gâteau de filtrage sont sensiblement complè- tement enlevés par lavage par la vaporisation de naphte et emportés avec celle-ci à l'intérieur du filtre 47 d'où le liquide est enlevé par une con- duite 49 vers le réservoir 51. Le coke exempt de dépôts lourds est enleva du filtre 47 par un dispositif de raclage 59 et peut être transporté de toute manière convenable par la conduite 61 vers un dispositif d'épuration 63, dans lequel le naphte adhérant peut être enlevé par de la vapeur de nettoyage fournie par la conduite 65.
Le coke produit peut être récupéré par une con- duite 67 en des quantités d'environ 10 à 20% en poids de l'alimentation to- tale en résidus.
Le mélange de naphte de lavage et de dépôts de filtrage recueil- lis dans le réservoir 51 est enlevé de celui-ci par une conduite 69 et pomper par une pompe 71 dans une conduite 43 pour être traité à nouveau. comme dé- crit ci-avant.
Vu l'importance d'une forte turbulence dans le dispositif de trempage 17, des méthodes convenant à cet effet sont illustrées avec cer- tains détails aux figures 2 et 3.
En se référant à la figure 2, le procédé qui y est illustré uti- lise un dispositif de trempage unique qui peut prendre la place du disposi- tif de trempage 17 de la figure 1, les éléments similaires étant identifias par les mêmes références. Le dispositif de trempage 17 est pourvu, dans sa section médiane d'un tube ouvert concentrique 75 de plus petit diamètre et de plus petite hauteur. Une hélice d'agitation 77, supportée par un arbre d' entraînement 79. est disposée dans la portion inférieure du tube 75.
L'arbre d'entraînement 79 est supporté dans une boite à bourrage 81 et entrai- né par un moteur 83 dans une direction qui force l'hélice 77 à créer une aspiration depuis le haut et à exercer une action propulsive descendanteo La matière effluente du serpentin 7 entre dans le dispositif de trempage 17 par la conduite 15 et est enlevée par la conduite 19 à des vitesses contri- buant à maintenir dans le trempeur 17 un niveau de liquide 2 à la partie su- périeure .
Un gaz comprimé, tel que du gaz produit ou tout autre gaz inerte, peut être- fourni par une conduite 85 pour protéger les surfaces portantes de l'action abrasive de la boue de réactiono Sous l'influence de l'agitation et de l'action de pompage de l'hélice 77 qui peut avoir une vitesse de 10 à 100 tours par minute, l'alimentation circule à haute vitesse de haut en bas à travers le tube ouvert 75 et de bas en haut dans l'espace compris entre le tube 75 et les parois du dispositif de trem- page 17, tout en prenant, en même temps., un mouvement rotatif dans la direc- tion de la rotation de l'hélice 77. au moins dans le tube 75 comme indiqué par les flèches de circulation. La turbulence ainsi créée -est dans la plu- part des cas suffisante pour les buts de l'invention.
Dans certains cas, il peut même être suffisant d'injecter l'alimentation depuis la conduite 15 à une vitesse élevée. dans une direction descendante ou ascendante$ directement dans la portion supérieure ou inférieure,respectivement, du tube 75, sans . prévision d'un agitateur mécanique en hélice quelconqueo Cependant les for- ces de frottement développées rendent une telle façon de procéder plutôt inef- ficace . -
Un procédé pour créer une turbulence d'efficacité considérable- ment plus élevée, sans exiger des éléments se déplaçant ou à moyen d'agitation mécanique., est illustra à la figure 3.
Dans ce cas trois récipients de trem-
<Desc/Clms Page number 6>
Page 17a, 17b et 17c prennent la place du dispositif de trempage 17 de la figure 1. Ces récipients ont la forme de cônes renversas. L'alimentation chaude pénètre par une conduite 15 et passe à travers les récipients 17a, 17b et 17c disposas en série, depuis le haut jusqu'au bas de chaque réci- pient en le remplissant sensiblement complètement de liquide. Le fond du ré- cipient 17a est relit par une conduite 87 au sommet du récipient 17b, et le fond de celui-ci est relit au sommet du récipient 17c par une conduite 89, afin de permettre le passage de l'alimentation.
Les produits cokéfiés sont enlevas par une conduite 19.
En vue de créer la turbulence désirée dans les récipients 17a, 17b, et 17c, l'alimentation est injectée tangentiellement dans l'extrémité large de chaque récipient à une vitesse relativement élevée d'environ 4 à 20 pieds par seconde de manière que la boue liquide prenne- un mouvement rotatif hautement turbulent suivant une direction généralement descendante dans tous les récipients. L'action de retardement des forces de frottement est au moins équilibrée et peütp par une conception et un fonctionnement convena- bles du systèmes être même sur-compensée par la vitesse angulaire croissante du liquide lors de son trajet rotatif descendant de rayon fortement décrois- sant.
La subdivision du dispositif de trempage 17 en une série de récipients, comme montré, permet des vitesses de rotation plus élevées à des vitesses d' alimentation et des vitesses d'injection d'alimentation relativement faibles, et ainsi une turbulence plus efficace. Il sera entendu, évidemment, que 1' un quelconque ou tous les récipients 17a, 17b et/ou 17c. peuvent avoir la forme de cônes dressés normalement, qui reçoivent l'alimentation par le bas et se déchargent au sommet.
Cette disposition est même préférable dans certains cas.,, car le fait d'avoir les cônes avec leur petite extrémité en haut évitera le rassemblement de po- ches de gaz dans les dispositifs de trempage,, ce qui aurait l'effet désavanta- geux de diminuer le temps de séjour du liquide dans lesdits dispositifs de trempage.
Bien que les systèmes illustrés aux dessins soient des dispositifs à tubes et réservoirs constituant la réalisation préférée de l'invention, il doit être signalé que., dans beaucoup de cas,le dispositif de trempage 17 peut être complètement éliminée pourvu que la vitesse dans le serpentin 11 soit suffisamment élevée pour y maintenir une haute turbulence et qu'un temps de séjour suffisant soit permis dans le serpentin 11 en vue d'obtenir la con- version désirée. Le naphte produit lourd, utilisé comme diluant, peut être 'rem- placé entièrement ou en partie par d'autres huiles hydrocarbonées de gamme d' ébullitions similaire--,, telles que du naphte non traité., du naphte craqué ca- talytiquement, etc.
D'autres variantes des systèmes illustrés peuvent apparaî- tre à ceux qui sont versés en ce domaine,sans se départir pour cela de l'es- prit de l'invention.
L'invention sera encore illustrée par l'exemple spécifique sui- vant.
Un résidu de la Louisiane du Sud (2,5%), ayant une gravité d'en- viron 12 API et un indice de carbonisation Conradson d'environ 17%, était dilué avec un volume égal de naphte non traité lourd (gamme d9ébullitions.* 300 à 400 F).Du coke ayant des dimensions de particules de 100 à 200 mail- les était ajouté à ce mélange d'alimentation en des quantités d'environ 35 livres par baril de résidu. La boue ainsi obtenue était traitée pendant 1,6 heure dans un autoclave à agitation à une pression effective maximum de 200 livres par pouce carré et une température de 800 F.
Les résultats de l'essai étaient les suivants
EMI6.1
<tb> Conversion <SEP> en <SEP> coke, <SEP> gaz <SEP> et <SEP> liquide <SEP> bouillant
<tb>
<tb> en <SEP> dessous <SEP> 1050 F, <SEP> % <SEP> 88,9
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Productions <SEP> nettes
<tb>
<tb>
<tb> Coke, <SEP> % <SEP> en <SEP> poids <SEP> 18,5
<tb>
<Desc/Clms Page number 7>
EMI7.1
<tb> Gaz <SEP> sec, <SEP> % <SEP> en <SEP> poids <SEP> 7,7
<tb>
<tb>
<tb> Naphte <SEP> léger <SEP> et <SEP> lourde <SEP> % <SEP> en <SEP> vola <SEP> 16,7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Huile <SEP> de <SEP> chauffage,, <SEP> 430 /650 F,
<tb>
<tb>
<tb> % <SEP> en <SEP> vol. <SEP> 25,9
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Gasoil, <SEP> 650 /1050 F, <SEP> % <SEP> en <SEP> vol <SEP> 25,9
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Matière <SEP> bouillant <SEP> au-dessus
<tb>
<tb> de <SEP> 1050 F, <SEP> en <SEP> vol.
<SEP> 11,1
<tb>
Au cours de cette opération, le coke's9accumulait sous forme de particules dures séparées;, dans le fond de l'autoclave$ 'et il n'y avait -pas - de dépôt de coke sur les parois de l'autoclave.
La description et les opérations exemplatives ci-avant ont servi à illustrer des réalisations spécifiques de l'invention mais n'ont pas pour but d'en limiter la portée.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de cokéfaction de matières hydrocarbonées lourdes, qui consiste à soumettre lesdites matières, en présence de solides inertes finement divisés et d'une proportion importante d'une huile de distillation légère, en un état hautement turbulente à des conditions - température, pression et temps de séjour - de cokéfaction en phase liquide.