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Il Procédé de traitement thermique et de séparation des huiles d'hydrocarbures ".
Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 18 août 1951 au nom de Willem Johannes Dominicus van DIJCK .
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La présente invention concerne un procédé perfec- tionné de traitement des huiles d'hydrocarbures , et plus particulièrement un procédé propre à la production de distillats composés en majeure partie de produits ayant le caractère du Rérosène et du gasoil léger, en partant d'huiles lourdes telles que du pétrole brut, de l'huile brute partiellement réduite ou d'un analogue .
Divers procédés ont été proposés et utilisés pour la récupération par distillation de matières diverses telles que l'essence (gazoline), le kérosène, le gasoil léger, le gasoil lourd, et les huiles lubrifiantes,à partir des huiles de pétrole, en vue, à la fois, de leur emploi direct et de leur emploi comme matière de départ pour divers processus de conversion . 'est ainsi que les distillats de gasoil, tant légers que lourds, constituent une matière de départ importante pour des conversions à la fois thermiques et catalytiques, dans la production d'essence à partir de ces distillais.
Les produits bruts dits "toppés" ou les résidus dits "longs" aussi bien que certains produits bruts lourds, sont souvent soumis à un traitement thermique connu sous le nom de "visrupture" (visbreaking = rupture de viscosité) afin de réduire leur viscosité , suivi d'une réparation par distillation fractionnée des composants vaporisables présents naturellement ou formés au cours de la visrupture . Les matières résiduelles encore plus lourdes résultant de cette opération peuvent être utili sées dans des mélanges de fueloil et peuvent être chauffées davantage, si nécessaire, et soumises à une
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séparation dans un appareil de détente brusque,
pour produire une nouvelle quantité de distillat (distillat sous vide).
L'un des principaux objets de la présente inven- tion consiste à obtenir une conversion thermique per- fectionnée d'une huile lourde d'hydrocarbures pour la production d'une quantité maximum d'huile de distillat ayant une composition très appropriée pour servir de matière de départ pour des opérations de craquage catalytique dans .la production de combustibles pour mo- teurs.
Un autre objet de l'invention consiste-à réaliser un procédé de conversion thermique de composants lourds d'huiles de pétrole contenant des composants thermique- ment instables et cokéfiables, en huiles distillées de qualité élevée pour craquage catalytique, tout en évitant cependant la formation de coke, et fournissant en conséquence un produit résiduel mélangeable à un fuel- oil approprié .
Or.il a été constaté maintenant qu'une huile lourde d'hydrocarbures peut être efficacement convertie en huile plus légère de distillat, en marche continue, et sans provoquer des conversions indésirables, en faisant cou- ler l'huile lourde de haut en bas à l'état liquide , à travers une zone de conversion thermique et de fraction- nement comportant des étages multiples superposés ver- ticalement , et en faisant circuler au moyen d'un compresseur, à contre-courant et au contact direct de l'huile lourde, un courant constitué par une portion au moins des produits vaporisés récupérés dans le processus , lequel courant de vapeurs est chauffé en phase gazeuse sans craquage sensible de ces vapeurs, en dehors de la zone de conversion et de fractionne-
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ment ,
à une température suffisante pour maintenir dans cet appareil un niveau et un gradient de tempéra- ture appropriés, et pour,aussi, fournir à la. fois la chaleur endothermique de conversion de l'huile lourde à convertir, et la chaleur de vaporisation des matières distillables.
Le procédé selon l'invention est fondé sur plu- sieurs faits établis au cours d'études expérimentales.
Ces études ont démontré que des opérations effectuées sur des produits bruts réduits dans des zones de tempé- rature et avec des durées de contact n'entraînant qu'un craquage thermique modéré, peuvent être mises en oeuvre pratiquement d'une manière telle que l'on accroît sensiblement le rendement en produits distillés tout en maintenant en même temps dans le résidu un degré de qualité permettant son emploi pour la production @ d'un fuel-oil résiduel stable et homogène .
La présente invention va maintenant être illustrée en se référant au dessin joint dans lequel : la figure 1 représente graphiquement la distribu tion des produits obtenus à partir d'un produit brut réduit type , avant et après un traitement thermique modéré ; et, la figure 2 représente le schéma de la circula- tion des matières dans un mode préféré de mise en application pratique de l'invention, dans lequel un résidu brut ou un'résidu de passe directe (long résidu) est soumis à un traitement thermique et à une opération de séparation , pour en récupérer une quantité maximum de distillat de gasoil de haute qualité pour un craquage catalytique , et un résidu mélangeable à une quantité minumum de fuel-oil appropriée.
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En se fondant sur le poids moléculaire d'un mélange brut réduit, la constitution de ce mélange est donnée par le trait plein de la figure 1, représentant la distri- bution déterminée par distillation moléculaire et selon leur poids moléculaire , des composants présents dans le mélange . On voit que ce produit brut réduit contient 55% (abscisse ) environ en poids de matières ayant un poids moléculaire (ordonnée) au plus égal à 500.
Ce- pendant, par un traitement thermique modéré et contrô- lé, et un processus de séparation, on obtient des produits dont la distribution moléculaire d'ensemble est celle donnée par la ligne en trait discontinu de la figure 1. C'est ainsi que l'on obtient une quantité de produits distillés de poids moléculaire au plus égal à 500 atteignant jusqu'à 80-85 % du produit brut réduit.
En outre , contrairement aux résultats donnés par le craquage thermique classique, le produit distillé ne contient que des quantités mineures de gaz et d'essen- ce (environ 5 à 6 % en poids) , le produit principal étant le gasoil.
Une particularité du présent procédé consiste dans le fait que l'huile, à mesure qu'une quantité de plus en plus grande de composants relativement plus légers sont éliminés, emportant avec eux leur chaleur de vaporisation et qu'une quantité moindre en matière thermiquement convertible ou plus difficilement conver- tible reste présente, est encore soumise à une tempéra- ture convenable de conversion , puisque la chaleur re- quise pour cette conversion est fournie directement par de la matière vaporeuse surchauffée recyclée.
Une description plus détaillée du procédé selon la présente invention va être faite en se référant à la figure 2.
Une huile lourde de départ appropriée, telle qu'un
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produit brut réduit ou un résidu de passe directe, est préchauffée dans un dispositif de chauffage approprié tel que la section de convection 11 d'une chaudière à serpentin, représentée en 12, de façon à fournir au moins une portion notable et.'¯de préférence la plus grande possible , de la chaleur requise comme chaleur de vaporisation , en vue de vaporiser la matière distillable déjà présente jusque et y compris au moins le gasoil lé- ger (point de condensation à 350-425 C environ) , tout en évitant en même temps le chauffage de la matière de départ dans des conditions ayant pour effet une quantité quelcon- que appréciable de craquage thermique .
L'huile de départ préchauffée'est envoyée dans la partie supérieure d'une tour verticale de contact appropriée 14 pourvue d'un ensemble d'étages échelonnés verticalement pour la mise en contact intime des phases gazeuse et liquide, et cette huile est mise en contact dans la tour, au cours de son écoulement vers le bas, avec une portion des pro- duits vaporisés sortant à la partie supérieure de la tour ou colonne, portion gazeuse qui a été comprimée au moins partiellement, 'puis surchauffée et injectée au moins en partie dans une partie basse de la tour, par exemple par le conduit 15, dans l'huile s'écoulant vers le bas de la tour;
d'autres portions du courant gazeux surchauffé sont injectées d'une manière appropriée, au moyen des divers conduits 16, 17 et 19, suivant le désir ou les nécessités, pour régler et contrôler les conditions éven- tuellement désirées dans la tour de contact.
Il a été trouvé que la matière provenant du sommet ou de la tête du contacteur et fractionneur 14, jusque et y compris le gasoil léger ayant un point de condensa- tion de 350-425 C environ, est avantageusement recyclée dans le contacteur 14 à l'état de matière surchauffée pour fournir la chaleur endothermique nécessaire au craquage
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des composants plus lourds de l'huile de départ, et à la vaporisation des composants plus légers ainsi formés, tandis que en même temps le gasoil léger recyclé n'est pas détérioré d'une manière appréciable ni en qualité, ni en quantité comme matière de départ d'un craquage cataly- tique .
Dans la mesure où le point à considérer est celui de la fourniture de la chaleur nécessaire, le gasoil léger a une plus grande capacité de transport de chaleur par unité de volume, que la gamme totale de la matière de tête . Puisque les proportions de substance gazeuse et d'essence sont relativement tout à fait faibles, il n'est pas économique d'effectuer une bonne séparation ou une séparation quelconque entre les produits gazeux plus légers et le courant désiré de gasoil porteur de chaleur , et de revaporiser le courant de gasoil séparé, autre que la séparation pouvant être obtenue dans la par- tie supérieure du contacteur et fractionneur 14, indiquée.
par la différence entre les niveaux de prise des conduits 20 et --Il En fait, toute séparation effectuée entre la petite quantité des produits gazeux et les produits nor- malement liquides ne sert qu'à réduire, dans une faible mesure, les besoins de pompage et de compression et le coût d'équipement et de fonctionnement des fours de chauffage du courant recyclé, ainsi que les dimensions à donner au contacteur pour produire un courant d'alimen- tation donné à un débit donné .
Ainsi donc, un courant de produits de tête jusque et y compris le gasoil léger est extrait par le conduit 20; une portion de ce courant est envoyée au compresseur 22 qui le porte à une pression plus élevée appropriée, par exemple 1 à 2 atm. au-dessus de sa pression de sortie du contacteur,, ,le compresseur étant avantageusement du type centrifuge . Le courant comprimé est surchauffé à la température requise en phase
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gazeuse dans les serpentins de la section radiante du four 12 puis réparti dans les divers conduits 15, 16,
17 et 19, pour injection dans le contacteur ainsi qu'on l'a indiqué . Au lieu d'utiliser une portion du produit global de tête extrait par le conduit 20, on peut extraire un courant vaporisé par le conduit 21, et employer ce cou- rant comme courant de recyclage .
Dans le but d'assurer que le courant de recyclage parcourant le conduit 24 reste à l'état vaporisé, afin d'éviter la formation d'un conden- sat craquant et cokéfiant sur la paroi du conduit, on a prévu un-',,séparateur approprié 23 pour enlever tout le liquide éventuellement formé, lequel liquide est joint au reste du courant de tête par le conduit 25.
Etant donné que d'une part la température requise pour la vaporisation des composants de gasoil léger for- més dans le contacteur est considérablement inférieure à la température désirée dans une certaine partie du moins du contacteur pour le craquage des composants plus lourds, en composants plus légers, (la vitesse de craquage croît du simple au double environ pour chaque élévation supplé- mentaire de température de 10 C, tandis que la température de liquéfaction des composants constituant le gasoil léger reste comprise entre 350 et 425 C environ), et que d'autre part la concentration dans la phase liquide des matières génératrices de coke croît constamment dans même le/sens que l'écoulement de l'huile,'augmentant ainsi le danger d'une cokéfaction indésirable,
le gradient adé- quat de température peut être avantageusement obtenu en divisant le courant de gasoil de recyclage en plusieurs portions et en portant séparément à une température diffé- rente appropriée chacune de ces portions. D'autre part encore , un processus plus simple consiste à chauffer la
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majeure partie de l'huile de @ecyclage à une certaine température choisie et à mélanger l'autre partie avec la ou les portions du courant surchauffe avec lequel on désire alimenter le contacteur à une température moins élevée.
Ce processus est réalisable au moyen des conduits 13 et 18 de la figure 2. En opérant ainsi, la température dans la ou les parties intermédiaires du contacteur peut être maintenue à 440-450 C par exemple, température à laquelle un craqucge convenable s'effectuera avec une vitesse ap- propriée , tandis que la cokéfaction sera minimisée en raisgn de la présence de la phase liquide diluante, et la température dans la partie inférieure du contacteur peut être maintenue à une valeur moins élevée, par exem- ple , 410-430 C, ou même encore plus basse, température suffisante pour débarrasser (stripping) la matière liqui- de résiduelle , d'une matière adéquate, juste avant sa sortie par le bas du contacteur , des composants de gasoil légers.
L'opération à l'intérieur du contacteur peut être conduite de façon à convertir sensiblement la totalité des huiles plus lourdes en huiles plus légères, mais à laisser dans la fraction résiduelle extraite du contec- teur, une certaine quantité de composants d'huile lourde diluants, afin d'éviter toute tendance à la coké- faction même dans le dernier étage du contacteur.
La fraction résiduelle ci-dessus est avantageusement isolée dans une zone de pression réduite, tel qu'un séparateur par détente brusque 28, et le distillat ainsi séparé est renvoyé vers le contacteur par les conduits 33 et 38 en même temps que la matière de départ fraîche arrivant par ce conduit 38;
Ainsi qu'on l'a déjà exposé précédemment, une durée
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de séjour accrue et/ou une température plus élevée ont pour effet une conversion thermique plus considérable de l'huile lourde en cours de traitement, dans un ensemble donné d'autres conditions .
On a déjà fait ressortir cependant que la tendance à la formation de coke pendant la chauffe des matières résiduelles, dépend, aussi de la concentra- tion relative de matières cokéfiables (composants de poids moléculaire élevé contenant une proportion élevée d'atomes de carbone aromatique -On comprendra donc aisé- ment à ce sujet, que la vitesse d'écoulement de l'huile lourde de départ vers le contacteur et au travers du contac- teur est réglée en accord avec les températures particulières maintenues dans les diverses parties du contacteur et avec les durées particulières de séjour des matières liquides dans ces diverses parties, et que la combinaison optimum de l'ensemble de ces facteurs en vue de la conversion thermique et de la séparation optimum selon l'invention,
dépendra de la nature particulière de matière à traiter et sera détermi- née facilement par l'expérience . Des durées de séjour comprises entre 20 et 40 minutes environ conviennent par- ticulièrement, quoique des durées supérieures atteignant 60 minutes puissent être utilisées en appliquant les condi- tions thermiques modérées prévues dans la présente inven- tion . Pour des raisons économiques, il y a lieu de préfé- rer les courtes durées de séjour de 20 à 40 minutes et en particulier celle de 30 minutes.
Le reliquat de l'ensemble global des produits de tête peut alimenter directement une opération de craquage catalytique sans qu'il y ait lieu deale soumettre à un fractionnement préalable Cependant, si on le désire, on peut le fractionner comme suit . Les produits peuvent être envoyés au moyen du conduit 26 dans nn fractionneur 29 approprié où ils sont fractionnés en courants de produits désirés. Une économie d'énergie est aisément réalisée
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en étalant superficiellement ce reliquat de produits de tête dans un centrifugeur 27 par exemple travaillant sous une partie au moins de la charge de compression donnée par le compresseur 22.
Le courant net de produits de tête sortant du contacteur 14, est fractionné dans le fraction- ui 29 en un courant de tête extrait par le conduit 30, refroidi et partiellement condensé dans le condenseur 32 en même temps que les vapeurs non condensées sont ex- traites de l'accumulateur 34, et une portion au moins du condensât est renvoyée dans le fractionneur comme reflux, le restant du condensat étant convenablement combiné avec le condensat d'essence extrait du fractionneur par le conduit 35.
Le restant du produit, que l'on dénommera gasoil léger (point d'ébullition compris entre 205 et 350-425 C, par exemple) est extrait par le bas du fractionneur, et, si on le désire, utilisé pour fournir une partie de sa chaleur au courant d'alimentation, par exemple, au moyen de l'échangeur de chaleur 39. On comprendra que le gasoil peut servir à l'alimentation directe d'une installation de craquage catalytique sans refroidissement préalable, auquel cas la chaudière 12 aura à fournir une quantité supplémentaire de chaleur équivalent à celle qui dans l'autre cas, aurait été prélevée sur le courant de gasoil dans l'échangeur de chaleur 39 placé sur le conduit 37.
On comprendra aussi que les composants d'essence peuvent être laissés avec les composants de gasoil, et que l'ensemble des produits de tête, diminué des composants gazeux, peut être utilisé comme matière de départ d'un craquage catalytique. De même, ainsi qu'on l'a déjà indiqué , puisque les gaz ne constituent qu'un très faible pourcentage des produits de tête, le total net des produits de tête peut alimenter directement une opération de cra- quage catalytique
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La pratique de l'invention sera plus pleinement com- prise à l'aide d'une description appliquée à un produit @ brut réduit, tel que celui pris précédemment comme exemple dans la figure 1, en vue de préparer à partir de ce produit brut une quantité minimum de gaz et d'essence de passe directe ou thermique ,
et une quantité maximum de gasoil ayant des caractéristiques de haute qualité pour un craquage catalytique (faible tendance à la cokéfaction) et fournis- sant en même temps un résidu mélangeable à un fuel-oil appro- prié Dans la description, les proportions relatives sont basées sur le poids de matière brute de départ fraîche.
Un produit brut mélangé est étêté (toppé) dans un appareil dis- tillatoire d'étêtage approprié pour enlever la totalité de la matière bouillant jusqu'à 370 C environ, et la ma- tière brute réduite (résidu long) extraite par le bas de l'alambic (préchauffée ainsi déjà à une température de 370 C environ) est chauffée à 400 C environ et refoulée par pompage dans le contacteur sous une pression convenable, telle que 2 à 5 atm. environ par exemple, bien que cette pression puisse varier depuis l'atmosphèrique environ jusçu'à n'importe quelle'pression supérieure telle que
3,5 à 7 atm. ou même davantage .
Au commencement de l'opération, du gasoil léger en excès (environ 5 parties en poids) provenant d'une source .extérieure (par exémple du gasoil) récupéré dans l'opéra- tion d'étêtage ) amené par le conduit 23 de la figure 2, est chauffé en phase gazeuse à une température de 445 C en- viron sous une pression de 3,1 à 7,3 atm. supérieure de 1 à 2 atm. environ à la pression d'entrée du produit brut réduit dans le contacteur par le conduit 15.
Dans le con- tcteur , le gasoil léger ainsi surchauffé entre en contact intime et à contre courant avec le produit brut réduit,
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ce qui entraîne le craquage des composés plus lourds et par suite la production de nouvelles quantités de gasoil léger, accompagnées d'un peu d'essence et de gaz, et le gasoil introduit fournit en même temps la chaleur de vaporisation des composants plus légers, soit formés ainsi en supplément, soit déjà présents dans le produit brut réduit . La totalité des produits vaporisables jusque et y compris le gasoil léger, ainsi que le gasoil léger additionnel provenant de . l'extérieur , s'éliminent en tê'te à une température de 400 C environ .
Dès que du gasoil léger commence à se dégager en tête (par le conduit 21 et/ou le conduit 20), cette matière est recyclée par le conduit 24 pour remplacer le gasoil ajouté de l'exté- rieur jusqu'à ce que le gasoil récupéré du produit brut réduit soit en quantité suffisante pour entretenir le processus, et le surplus de gasoil récupéré constitue une production nette du gasoil .
Le système est alors maintenu dans un état sensiblement équilibré en recy- clant environ 70 à 75 % du total de gasoil léger sortant par la tête du contacteur , avec une vites,se d'alimenta- tion en huile de départ telle que la durée de séjour des composants les plus lourds de cette huile de départ soit de 20 à 30 minutes environ ) le résidu mélangeable est réduit à 12-15 environ et le total gaz-essence est de
5-9 % environ .
Ainsi, pour une alimentation d'une partie de produit brut, la fraction d'huile prise en tête est de 3,15 partiel environ, dont 2,3 parties environ sont p recyclées après surchauffe à 440-445 C environ, donnant une production nette de 0,08 partie environ de gaz et d'essence , 0,77 partie de gasoil léger contenant
5 % de composants bouillant à 205 C et 95 % de composants bouillant à 400 C, et un résidu de 0,15 partie environ,
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mélangeable avec un gasoil lourd relativement aromati- que provenant d'un craquage catalytique , 0,40 partie environ de fuel-oil résiduel ayant une viscosité de
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