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La présente invention est relative à la cokéfaction d'huiles hydrocarburées lourdes, telles que du pétrole brut et des résidus de pétrole, au contact avec des solides fluidifiés chauds; elle se rapporte également à un appareil spécialement agencé pour une telle cokéfaction.
La cokéfaction fluidifiée constitue un développement récent dans le domaine de la conversion des huiles hydrocarburées lourdes, telles que des résidus bruts ,en- .produits plus légers et de plus grande valeur. D'une façon générale, dans un tel procédé, une huile lourde en combustible résiduaire de basse qualité est injectée de façon continue dans un lit fluidifié de coke chaud. Le résidu est cokefié en déposant du carbone sur les solides fluidifiés et en dégageant des vapeurs hydrocarburées,
Des hydrocarbures plus légers sont fractionnés en partant du produit effluent de l'appareil de cokéfaction, et des dépôts lourds souillés d'impuretés sont récupérés et recyclés à cet appareil de cokéfaction.
Ces dépôts lourds bouillent habituellement au-dessus d'environ 700 à 1100 F., et cette fraction recyclée, étant une charge plus légère que l'alimentation fraîche, tend à se vaporiser et sort au sommet de l'appareil de cokéfaction avec très peu de conversion. En conséquence, il y a un accroissement de cette fraction recyclée dans le système de cokéfaction.
Ordinairement, une cokéfaction en phase vapeur est rendue minimum car avec des alimentations résiduaires de point d'ébullition élevé, on obtient une pauvre sélectivité dans la cokéfaction en phase vapeur comparativement à la cokéfaction en phase liquide. Dans certains cas, cependant il est nécessaire d'alimenter des charges bouillant en dessous d'une température de cokéfaction; par exemple, avec une matière brute de Coleville' de basse qualité, il peut être désirable de ne préparer que des produits bouillant en dessous de 700 F. Cela signifie que tous les produits de l'appareil de cokéfaction bouillant au-dessus d'environ 700 F. doivent être recyclés.
On a trouvé qu'à une température de cokéfaction de 950 F., le produit 700 à 1000 F. existe dans le cokéfacteur dans la phase vapeur et est craqué dans cette phase. Il est désirable, cependant, de craquer la fraction d'alimentation de point d'ébullition élevé et la charge d'huile en phase liquide à une température aussi basse que possible.
La présente invention simplifie ce problème par cokéfaction de cette fraction recyclée sous une pression partielle réglée d'hydrocarbure et sous des températures choisies, dans une section séparée du lit de cokéfaction fluidifié, ou dans un second lit fluidifié distinct du premier.
Ce dernier système de lit, lorsqu'il est utilisé, constitue cependant une partie intégrante de l'appareil principal de cokéfaction fluidifiée. Le second lit est disposé à la partie inférieure de la zone de cokéfaction principale, de manière qu'une pression plus élevée existe dans la section séparée en raison de la colonne pseudo-hydrostatique constituée par le lit fluidifié principal. A la température de cokéfaction fluidifiée préférée d'environ 950 F., et à des pressions effectives normales de réacteur de 10 à 15 livres par pouce carré, la charge recyclée est craquée sous une prossion effective d'environ 25 à 30 livres par pouce carré. Evidemment, la pression effective, dans la zone secondaire, peut varier de 5 à 30 livres par pouce carré au-dessus de la pression régnant dans la zone primaire.
Elle peut même dépasser cette dernière pression de plus de 30 livres par pouce carré suivant le procédé particulier.
Il est possible de régler la pression partielle d'hydrocarbure dans la section séparée en réglant (1) la vitesse du gaz de fluidification et (2) la pression existant dans la section. De cette manière, l'importance de la vaporisation de produits de queue lourds peut être réglée, et la cokéfaction des produits de queue accrue. On prévoit des moyens distincts pour
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l'introduction de gaz fluidifiants dans la zone secondaire; de la sorte, la quantité utilisée de gaz fluidifiant peut être maintenue minimum pour réduire la vaporisation de la fraction recyclée.
On peut voir alors que, par ces moyens, la portion plus lourde et contenant des impuretés et des cendres de la fraction de recyclage, sera maintenue à l'état liquide jusqu'à ce qu'elle soit cokéfiée, en déposant ces impuretés indésirables sur les particules de coke.
Un but de la présente invention est de procurer un procédé amélioré de cokéfaction fluidifiée d'huiles hydrocarburées lourdes. Un but plus particulier est de prévoir un procédé de cokéfaction fluidifiée d'huiles lourdes et matières similaires comportant, comme caractéristique essentielle, une section distincte à pression sensiblement plus élevée, pour la cokéfaction de la fraction'recyclée de la matière effluente de l'appareil de cokéfaction.
D'autres buts et avantages apparaîtront plus clairement au fur et à mesure de l'explication des dessins.
La figure 1 illustre unsystème de cokéfaction fluidifiée, agencé pour atteindre les buts de la présente invention. La zone secondaire est montrée comme étant contenue dans un récipient partiellement séparé de l'appareil de cokéfaction fluidifiée.
A la figure 2, la zone secondaire est représentée comme se trouvant dans un récipient tout à fait séparé, rattaché à la zone principale de cokéfaction par un conduit.
La figure 3 montre une autre variante de la présente invention, dans laquelle la zone secondaire fait partie intégrante du récipient de cokéfaction fluidifiée.
La figure 4 montre une autre variante de la présente invention, dans laquelle le réacteur de cokéfaction fonctionne sur le principe de circulation ascendante, et dans laquelle on utilise un système brûleur à conduite de transfert, au lieu d'un système à lit fluidifié, pour fournir des solides à température élevée à l'appareil de cokéfaction.
En général, les buts de la présente invention sont atteints par : injection de l'alimentation d'huile lourde dans le récipient de cokéfaction contenant une masse fluidifiée de coke ou autres particules solides inertes, chauds, finement divisés, par exemple, du sable : de ce récipient, des vapeurs produites par la cokéfaction; fractionnement des vapeurs en produits désirés et en une fraction de dépôts lourds, contenant des impuretés ; et recyclage de cette dernière fraction à une zone de cokéfaction secondaire séparée.
En se référant aux dessins, à la figure 1, l'alimentation, par
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exemple un résidu de distillatiossouslle',id,pénètre dans le procédé par une conduite 1 et est pulvérisée dans la chambre de cokéfaction primaire 10. Un lit de particules de coke fluidifiées, chaudes, est maintenu dans la chambre, et de la vapeur est admise par la conduite 7 pour maintenir le lit dans un état fluidifié. Des particules de coke sont enlevées du lit par une canalisation de descente et sont transférées à un récipient de chauffage, 60 comportant un lit fluidifié de particules de coke. De la vapeur de transport est admise dans la conduite 3 par une conduite 10.
De l'air ou un gaz contenant de l'oxygène sont admis au récipient réchauffeur 60 par une conduite 11. Ce gaz sert à maintenir fluide le lit réchauffeur et à soutenir une combustion partielle des particules de carbone. Par cette combustion partielle, le lit réchauffeur est maintenu à une température d'environ 1100 F. Des particules chaudes de coke sont enlevées
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du réchauffeur par une conduite 4 et transférées à l'appareil de cokéfaction 10. De cette manière, le lit fluidifié de l'appareil de cokéfaction est maintenu à une température d'environ 9000 à 1000 F.
Les produits de combustion passent de bas en haut à travers le réchauffeur 60 en allant au-delà de l'espace de dégagement des solides fluidifiés, vers un séparateur de gaz et de solides ou cyclone 70, où les particules entraînées sont enlevées et renvoyées au lit réchauffeur. La conduite 12 transporte les produits de combustion depuis ce cyclone vers d'autres opérations (non figurées), telles qu'un échange de chaleur, dans lesquelles on peut utiliser la chaleur spécifique des gaz.
L'alimentation, après sa vaporisation dans le récipient de cokéfaction, 10, subit une pyrolyse, en déposant un résidu carboné sur les particules fluidifiées et en dégageant des vapeurs hydrocarburées plus légères. Ces vapeurs s'élèvent dans il'appareil de cokéfaction au-delà de l'espace de séparation ou dégagement des solides fluidifiés, pour arriver à un séparateur de gaz et de solides 20 où les particules entraînées sont enlevées et renvoyées au lit fluidifie. Les vapeurs libres de solides sont alors transférées par la conduite 2 à un appareil de fractionnement 80.
L'appareil de fractionnement est représenté comme effectuant une séparation simple, mais une séparation plus complète pourrait être réalisée, suivant les désirs. Des gaz légers sont enlevés du procédé par une condui- te 13, une fraction de naphte par une conduite 14, et une fraction de ga- soil par une conduite 15. Ces produits sont envoyés à d'autres procédés non figurés. La fraction de dépôts est enlevée par une conduite 6 en vue d'un recyclage. Il peut être désirable de purger une certaine partie de la fraction de dépôts par une conduite 16, pour empêcher une accumulation de souillures dans le système.
Normalement, l'opération de cokéfaction produira plus de carbone qu'il n'est nécessaire pour la génération de chaleur. Pour cette raison, on utilise une conduite 5 pour enlever cet excès en tant que coke produit.
Cet enlèvement sépare également des particules de carbone non fluidifiables, qui ont grossi à cause du dépôt de carbone. L'opération de cokéfaction est habituellement mise en oeuvre à des pressions effectives relativement basses, telles que de 0 à 50 livres par pouce carré. Bien que le procédé puisse être mis en pratique à des pressions supérieures ou à des pressions inférieures à la pression atmosphérique, on préfère généralement opérer à une pression de sortie de vapeur, suffisante pour contraindre les vapeurs à passer vers une installation ultérieure de fractionnement et de séparation.
Le système de cokéfaction fluidifiée décrit est courant et ne constitue pas par lui-même une partie de la présente invention.
La partie inférieure de l'appareil de cokéfaction 10 est agencée pour comprendre une section secondaire de cokéfaction fluidifiée 30. C'est à cette section 'que la fraction de dépôts est recyclée par la conduite 6.
Comme représenté, cette section 30 est disposée au bas du lit fluidifié principal et constitue en partie une chambre ou puits séparé. Il comporte une alimentation séparée de gaz fluidifiant, par exemple, de la vapeur, fourni par une conduite 8 . La quantité de gaz fluidifiant, admise par cette conduite 8, est maintenue minimum ,soit environ 5 % de vapeur par rapport à l'alimentation de recyclage, afin que la pression partielle d'hydrocarbure soit aussi élevée que possible. Les dépôts recyclés, lorsqu'ils sont vaporisés, créeront le gaz fluidifiant supplémentaire requis. Une vitesse superficielle d'environ 0,5 à 2 pieds par seconde des gaz ascendants
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est suffisante pour la fluidification. Des solides chauds venant du lit fluidifié principal circulent dans la section secondaire pour y maintenir une température de 900 à 1000 F.
Des chicanes 50 sont disposées dans la partie supérieure de la zone secondaire, afin que la vitesse de circulation des solides entre les zones ne soit pas trop élevée. Sinon, le liquide non cokéfié sur les particules de coke dans la zone secondaire sera emporté dans la partie supérieure de-la zone primaire, où, à cause de la pression inférieure, il se volatilisera sans avoir subi le degré désiré de conversion. Suivant la conception, cet agencement à chicanes peut être ou ne pas être nécessaire, Ce moyen d'arrêt de la circulation des solides entre les zones peut être obtenu par d'autres systèmes, par exemple, en plaçant un bourrage à gros grains ou une plaque perforée avec un conduit de descente dans la partie supérieure de la zone secondaire.
La longueur de la zone de cokéfaction secondaire et la distance (H) du point d'injection des dépôts recyclés au niveau pseudo-liquide Ll du lit principal dépendra de la pression désirée, c'est-à-dire, du type de fraction de dépôts recyclés. ,La pression existant dans la zone secondaire, le taux d'alimentation de recyclage, et le rapport des solides fluidifiés à l'alimentation décideront du volume de la zone secondaire. Si la zone secondaire se situe environ 50 pieds en. dessous du niveau pseudoliquide du lit fluidifié principal, le lit fluidifié principal exercera une pression d'environ 15 livres par pouce carré sur la zone secondaire.
C'est ainsi que si l'appareil de cokéfaction fonctionne à une pression effective de 15 livres par pouce carré dans la zone du séparateur de solides 20, la pression effective dans la zone secondaire sera d'environ 30 livres par pouce carré. Si la fraction de recyclage bout au-dessus de 1000 F. et est alimentée à un taux de 2000 barrels par jour, équivalent à 1,0 poids/ heure/poids, la zone secondaire aura alors un diamètre d'environ 6 pieds, et une longueur d'environ 20 pieds.
On peut voir qu'en faisant fonctionner un appareil de cokéfaction de la manière prévue suivant l'invention, la fraction de dépôts recyclés est retenue pendant des périodes de temps plus longues dans l'appareil de cokéfaction et a peu de chance de se volatiliser avant d'être cokéfiée.
Une conduite 24 est utilisée pour recycler les solides chauds, du réchauffeur 60 à la section secondaire 30. La quantité de ce recyclage peut être suffisante pour que tous les solides se trouvant dans cette section soient fournis par la conduite 24. Les solides recyclés sont, de préférence, utilisés pour maintenir un contrôle indépendant de la température dans la section secondaire. Par ce moyen, la section secondaire pourrait fonctionner à la température optimum pour le cracking des dépôts recyclés, et la température peut être supérieure ou inférieure à celle existant dans la zone principale.
Le tableau suivant donne une liste particulière de conditions opératoires pour le système de la figure 1.
TABLEAU.
Préchauffage de l'alimentation 500 F.
Dimensions des particules de coke fluidifiées 40 à 400 microns Contenu de coke dans la zone primaire 75 tonnes Contenu de coke dans la zone secondaire 11 tonnes Contenu de coke dans le réchauffeur 50 tonnes Hauteur de la surface intermédiaire de solides fluidifiés dans la zone primaire, au-dessus de l'entrée de recyclage 77 pieds
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TABLEAU (Suite)
Vitesse superficielle de fluidification 1,5 pied/sec.
Température de cokéfaction 950 F.
Température de la zone de combustion 1125 F.
Bilan des matières :
Alimentation - 12,9% d'un résidu de dis- tillation sous le vide d'une matière du
West Texas 10.000 b./jour
Vapeur : à la zone primaire @ 200. 000 b./jour à la zone secondaire 20. 000 b./jour
Air sec au réchauffeur 31.000 mille pieds cubes standards/jour
Recyclage à la zone secondaire, 1100 + F. 2. 000 b./jour @
Circulation de coke vers le réchauffeur 30.000 tonnes/jour
Gaz de combustion - 0,1% 02; 4.1% CO 16,4% C02 ;
72,7% N2 6,7% H20 34.000 mille pieds cubes standards/jour
Gaz légers, C3 5.800 mille pieds cubes standards/jour
Naphte, C4 jus qu'à 430 F. 2.570 barrels/jour
Gasoil, 430 à 1100 F. 5.570 barrels/jour
La figure 2 illustre la variante de l'invention, dans laquelle la zone secondaire est disposée dans un récipient 30" séparé de l'appareil de cokéfaction.
Deux autres perfectionnements permettant d'atteindre les buts de l'invention sont également]'montrés. En particulier, une vanne 22 est utilisée pour augmenter la pression dans la zone secondaire au-dessus de celle créée par la colonne pseudo-hydrostatique de la zone primaire, et la sortie de la zone secondaire 30 est reliée à la zone de cokéfaction prin- cipale 30" près de la partie supérieure du lit fluidifié en vue de rédui- re au minimum la dégradation des produits venant de la zone secondaire, lorsqu'ils passent à travers la zone primaire.
Une partie seulement du système principal de cokéfaction fluidi- fiée de la figure 1 est représentée aux figures 2 et 3. Les mêmes éléments ont les mêmes références dans toutes les figures, mais avec primes et se- condes.
A la figure 2, la zone de cokéfaction secondaire 30" est reliée à la zone de cokéfaction principale 10" par une conduite 21 présentant une vanne de réglage 22. Des solides chauds venant du réchauffeur sont intro- duits dans la zone par la conduite 24", et une conduite 23 enlève des so- lides du lit pour les transférer au réchauffeur ou être enlevés du-procédé, comme produits. De la vapeur fluidifiante est admise au bas de la..zone se- condaire 30" par la conduite 8". Comme mentionné ci-avant, ce gaz fluidi- fiant est maintenu à un taux minimum. Les dépôts recyclés sont vaporisés dans la zone secondaire par la conduite 6" et sont cokéfiés.
Les vapeurs s'élèvent par la conduite 21 vers la zone principale de cokéfaction fluidi- fiée 10" et, de là, elles vont au système de fractionnement, expliqué pré- cédemment. Aucun système de séparation de gaz et de solides n'est repré- senté dans l'espace de dégagement ou séparation des solides fluidifiés de
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la zone secondaire car, s'il y a un entraînement, il ne causera pas de préjudice. La zone 30" pourrait fonctionner sur le principe d'un transfert ascendant et n'aurait pas à dépendre de la conduite 23 pour l'enlèvement des solides introduits par la conduite 24".
La partie restante de la figure 2 est telle qu'expliquée précédemment, c'est-à-dire que la conduite 5" enlève le coke produit hors de-'La zone de cokéfaction principale 10", la conduite 3" enlève du coke pour l'envoyer au réchauffeur, la conduite 4" ramène le coke chauffé, la conduite 7" amène la vapeur fluidifiante, le cyclone 20" enlève les solides entraînés, des vapeurs de prôduit, et la conduite 2" emmène les vapeurs de l'appareil de cokéfaction.
A la figure 3, la zone de cokéfaction secondaire 30' est représentée comme faisant partie intégrante du récipient principal de cokéfaction 10'. Ceci serait avantageux dans des opérations sous pression car seul un corps ou enveloppe sous pression devrait être construit. La fraction de dépôts recyclés est vaporisée dans la zone secondaire par la conduite 6', et les vapeurs créées s'élèveront vers la zone principale. De la vapeur fluidifiante est admise à la zone primaire par la conduite 7', et à la zone secondaire par la conduite 8'. Du coke produit est enlevé par la conduite 5t. La conduite 3' transfert des particules de coke au réchauffeur pour la phase de combustion. Une plaque perforée ou grille 50' est utilisée pour empêcher un échange de solides fluidifiés entre les zones.
Une conduite de recyclage extérieure 24' est utilisée pour assurer une circulation appropriée des solides entre les zones primaire et secondaire. Comme représenté, de la vapeur fluidifiante venant de la conduite 8' est admise dans la conduite 24' pour aider à la circulation des solides.
Les solides se trouvant dans la section secondaire s'élèvent au-delà de la plaque perforée dans le lit fluidifié principal. Il doit être compris, cependant, qu'un recyclage extérieur des solides n'est pas impossible. On pourrait utiliser des chicanes; un conduit de descente extérieure pourrait être utilisé avec le plateau perforé; ou bien, le passage pourrait être laissé non obstrué pour procurer une circulation intérièure des solides.
En se référant maintenant à la figure 4, une alimentation fraîche est introduite dans le réacteur de cokéfaction 75 par la conduite 76. Les vapeurs, en même temps qu'une partie du lit fluidifient, sont enlevées au sommet par la conduite 77 et transférées à un séparateur de gaz et de solides ou cyclone 78. Les solides entraînés sont enlevés par le cyclone, des produits gazéiformes, et les produits sont transférés par la conduite 79 vers un autre traitement non représenté.
Les fractions recyclées.obtenues à partir des vapeurs de produit' par fractionnement sont introduites dans la partie inférieure du réacteur de cokéfaction par la conduite 80. Comme décrit ci-après, cette zone inférieure se trouve à une température supérieure à celle de la zone supérieure ; par exemple, la zone supérieure aura une température d'environ 950 F. et la zone inférieure, une température de 1000 F. Comme expliqué précédemment, la zone inférieure se trouve à une pression supérieure à celle de la¯zone supérieure, grâce à quoi la fraction recyclée est maintenue liquide jusqu'à cokéfaction.
Des chicanes, grilles ou plaques perforées 81 séparent les deux zones et empêchent la circulationd des solides, de la zone supérieure à la zone inférieure. L'alimentation'recyclée lors de la cokéfaction dégage des vapeurs, et celles-ci, en même temps,qu'une partie du lit fluidifié de la partie inférieure du récipient, s'élèvent à travers les chicanes pour aller dans la zone supérieure.
Les solides séparés dans le cyclone 78 sont transférés par la con-
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duite 82 par un brûleur à conduite de transfert 83, dans lequel ils sont entraînés par de l'air fourni au brûleur par la conduite 92. Les particu- les sont transportées à travers le brûleur, tout en étant partiellement brûlées, à une vitesse supérieure à 10 à 20 pieds par seconde, par exemple, 60 pieds par seconde. Lorsqu'ils sortent du1brûleur, les gaz de combustion sont séparés des solides chauffés par le cyclone 84 et sont évacués par la conduite 85. Les solides chauds passent du cyclone à la zone inférieure de cokéfaction par la conduite 86.
En injectant les solides venant dans la zone inférieure de cokéfaction, et par un contrôle convenable des taux d'alimentation, les deux zones peuvent exister à des températures indépendantes désirées. Si c'est désirable dans un cas particulier, la température de la zone inférieure de cokéfaction peut être réglée indépendamment par une introduction séparée de solides venant de la zone supérieure, par refroidissement du coke, ou par réglage de la température de l'alimentation.
Comme expliqué ci-avant, de la vapeur fluidifiante est admise dans les zones, respectivement par la conduite 87 et la conduite 88. De la vapeur de transport ou un gaz d'aération sont admis dans la conduite de transfert de solides 86, par la conduite 89.
Une conduite 90 est utilisée pour enlever du coke et des agglomérats produits dans le réacteur. ,Du coke produit peut également être enlevé du procédé par la conduite 91.
Le récipient de réaction à circulation ascendante, tel que décrit, permet l'utilisation de vitesses élevées degaz, ce qui augmente le taux admissible d'alimentation d'huile pour un volume de réacteur donné. De même, avec un récipient à circulation ascendante, l'espace vide indésirable du lit est éliminé, et ceci réduit l'importance du cracking en phase vapeur se produisant dans la zone supérieure.
Il doit être entendu que l'invention est susceptible de nombreuses variantes, et qu'elle n'est pas limitée à la description des quatre formes d'application ci-avant.
REVENDICATIONS.
1. - Un procédé d'amélioration d'huiles hydrocarburées lourdes, qui comprend : l'injection d'une huile hydrocarburée lourde dans une zone de cokéfaction primaire contenant une masse de solides fluidifiés fine- ment divisés; la circulation d'une partie de ces solides fluidifiés vers un réchauffeur extérieur avec retour ensuite, pour maintenir la températu- re de cette masse à une valeur de cokéfaction; le maintien de cette huile dans ce récipient de cokéfaction pendant une période de temps suffisante pour convertir une portion importante de cette alimentation, en produits gazéiformes et en résidu carboné ; passage deces produits gazéiformes vers une zone de séparation ; séparation d'avec ces produits gazéiformes, d'une fraction relativement lourde;
le recyclage d'au moins une partie de cette fraction à une zone de cokéfaction secondaire en communication du point de vue fluide avec cette zone primaire, ladite zone secondaire conte- nant un lit de solides fluidifiés, finement divisés, chauds et se trouvant à une pression sensiblement supérieure à la pression existant dans la zone de cokéfaction primaire ; et le passage du produit vaporeux, de cette zone de cokéfaction secondaire à la zone primaire.
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The present invention relates to the coking of heavy hydrocarbon oils, such as crude oil and petroleum residues, in contact with hot fluidized solids; it also relates to an apparatus specially designed for such coking.
Fluidized coking is a recent development in the conversion field of heavy hydrocarbon oils, such as crude residues, into lighter and higher value products. In general, in such a process, a heavy oil in low quality waste fuel is continuously injected into a fluidized bed of hot coke. The residue is coked by depositing carbon on the fluidized solids and releasing hydrocarbon vapors,
Lighter hydrocarbons are fractionated from the effluent product of the coker, and heavy deposits soiled with impurities are recovered and recycled to this coker.
These heavy deposits usually boil above about 700 to 1100 F., and this recycled fraction, being a lighter load than fresh feed, tends to vaporize and comes out on top of the coker with very little. conversion. As a result, there is an increase in this recycled fraction in the coking system.
Ordinarily, vapor phase coking is minimized because with high boiling point waste feeds poor selectivity is obtained in vapor phase coking as compared to liquid phase coking. In some cases, however, it is necessary to feed charges boiling below a coking temperature; for example, with low quality Coleville raw material it may be desirable to prepare only products boiling below 700 F. This means that all products in the coker boiling above about 700 F. must be recycled.
It has been found that at a coking temperature of 950 F., the product 700 to 1000 F. exists in the coker in the vapor phase and is cracked in this phase. It is desirable, however, to crack the high boiling point feed fraction and the liquid phase oil feed at as low a temperature as possible.
The present invention simplifies this problem by coking this recycled fraction under a controlled partial pressure of hydrocarbon and at selected temperatures, in a separate section of the fluidized coking bed, or in a second fluidized bed separate from the first.
The latter bed system, when used, however, forms an integral part of the main fluidized coker apparatus. The second bed is disposed at the lower part of the main coking zone, so that a higher pressure exists in the separate section due to the pseudo-hydrostatic column formed by the main fluidized bed. At the preferred fluidized coking temperature of about 950 F., and normal effective reactor pressures of 10 to 15 pounds per square inch, the recycled feed is cracked under an effective range of about 25 to 30 pounds per square inch. . Obviously, the effective pressure in the secondary zone can vary from 5 to 30 pounds per square inch above the pressure in the primary zone.
It can even exceed this latter pressure by more than 30 pounds per square inch depending on the particular process.
It is possible to adjust the partial pressure of hydrocarbon in the separate section by adjusting (1) the speed of the fluidizing gas and (2) the pressure existing in the section. In this way, the extent of the vaporization of heavy bottoms can be regulated, and the coking of the bottoms increased. Separate means are provided for
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the introduction of fluidifying gases into the secondary zone; in this way, the amount of fluidizing gas used can be kept at a minimum to reduce the vaporization of the recycled fraction.
It can then be seen that, by these means, the heavier portion and containing impurities and ash of the recycle fraction, will be kept in the liquid state until it is coked, by depositing these unwanted impurities on coke particles.
An object of the present invention is to provide an improved process for the fluidized coking of heavy hydrocarbon oils. A more particular object is to provide a process for the fluidized coking of heavy oils and similar materials comprising, as an essential characteristic, a distinct section at substantially higher pressure, for the coking of the recycled fraction of the effluent material from the apparatus. of coking.
Other objects and advantages will appear more clearly as the drawings are explained.
Figure 1 illustrates a fluidized coking system, arranged to achieve the objects of the present invention. The secondary zone is shown to be contained in a vessel partially separate from the fluidized coker.
In FIG. 2, the secondary zone is shown as being in a completely separate container, attached to the main coking zone by a duct.
Figure 3 shows another variant of the present invention, in which the secondary zone is an integral part of the fluidized coking vessel.
Figure 4 shows another variant of the present invention, in which the coking reactor operates on the upward circulation principle, and in which a transfer line burner system is used, instead of a fluidized bed system, for supplying solids at elevated temperature to the coker.
In general, the objects of the present invention are achieved by: injecting the heavy oil feed into the coking vessel containing a fluidized mass of coke or other inert, hot, finely divided solid particles, for example, sand: from this container, the vapors produced by the coking; splitting the vapors into the desired products and a heavy deposit fraction, containing impurities; and recycling the latter fraction to a separate secondary coking zone.
Referring to the drawings, in Figure 1, the power supply, for
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example a distillation residue, id, enters the process through line 1 and is sprayed into the primary coking chamber 10. A bed of hot, fluidized coke particles is maintained in the chamber, and steam is admitted. through line 7 to maintain the bed in a fluidized state. Coke particles are removed from the bed through a downcomer and are transferred to a heating vessel, 60 having a fluidized bed of coke particles. Transport steam is admitted into line 3 through line 10.
Air or a gas containing oxygen is admitted to the heating vessel 60 via a line 11. This gas is used to keep the heating bed fluid and to support partial combustion of the carbon particles. By this partial combustion, the heater bed is maintained at a temperature of about 1100 F. Hot particles of coke are removed.
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from the heater through a line 4 and transferred to the coking apparatus 10. In this way, the fluidized bed of the coking apparatus is maintained at a temperature of about 9000 to 1000 F.
The products of combustion pass from the bottom up through the heater 60, beyond the fluidized solids clearance space, to a gas and solids separator or cyclone 70, where entrained particles are removed and returned to the gas. warmer bed. Line 12 conveys the combustion products from this cyclone to other operations (not shown), such as heat exchange, in which the specific heat of the gases can be used.
The feed, after its vaporization in the coking vessel, 10, undergoes pyrolysis, depositing a carbonaceous residue on the fluidized particles and giving off lighter hydrocarbon vapors. These vapors rise in the coker beyond the space for separation or release of the fluidized solids, to arrive at a gas and solids separator 20 where the entrained particles are removed and returned to the fluidized bed. The free solids vapors are then transferred through line 2 to a fractionation apparatus 80.
The fractionating apparatus is shown to effect simple separation, but more complete separation could be performed, as desired. Light gases are removed from the process through line 13, a fraction of naphtha through line 14, and a fraction of gas through line 15. These products are sent to other processes not shown. The fraction of deposits is removed via a pipe 6 for recycling. It may be desirable to purge some of the sediment fraction through line 16, to prevent soil buildup in the system.
Normally, the coking operation will produce more carbon than is required for heat generation. For this reason, line 5 is used to remove this excess as the coke produced.
This removal also separates non-flowable carbon particles, which have grown larger due to carbon deposition. The coking operation is usually carried out at relatively low effective pressures, such as 0 to 50 pounds per square inch. Although the process can be carried out at pressures above or at pressures below atmospheric pressure, it is generally preferred to operate at a steam outlet pressure sufficient to force the vapors to pass to a subsequent fractionation and cooling plant. separation.
The disclosed fluidized coking system is common and does not by itself form part of the present invention.
The lower part of the coking apparatus 10 is arranged to include a secondary fluidized coking section 30. It is to this section that the fraction of deposits is recycled via line 6.
As shown, this section 30 is disposed at the bottom of the main fluidized bed and in part constitutes a separate chamber or well. It has a separate supply of fluidizing gas, for example steam, supplied by a line 8. The quantity of fluidizing gas admitted through this pipe 8 is kept minimum, ie about 5% of steam relative to the recycle feed, so that the partial pressure of hydrocarbon is as high as possible. The recycled deposits, when vaporized, will create the additional liquefying gas required. A surface speed of about 0.5 to 2 feet per second of ascending gases
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is sufficient for fluidization. Hot solids from the main fluidized bed circulate in the secondary section to maintain a temperature of 900 to 1000 F.
Baffles 50 are arranged in the upper part of the secondary zone, so that the speed of circulation of solids between the zones is not too high. Otherwise, the uncooked liquid on the coke particles in the secondary zone will be carried away to the upper part of the primary zone, where, due to the lower pressure, it will volatilize without having undergone the desired degree of conversion. Depending on the design, this baffle arrangement may or may not be necessary. This means of stopping the flow of solids between the zones may be achieved by other systems, for example, by placing a coarse-grained packing or perforated plate with a downcomer in the upper part of the secondary area.
The length of the secondary coking zone and the distance (H) from the injection point of the recycled deposits to the pseudo-liquid level Ll of the main bed will depend on the desired pressure, i.e. the type of fraction of recycled deposits. The pressure existing in the secondary zone, the recycle feed rate, and the ratio of fluidized solids to the feed will decide the volume of the secondary zone. If the secondary zone is about 50 feet in. Below the pseudoliquid level of the primary fluidized bed, the primary fluidized bed will exert approximately 15 pounds per square inch of pressure on the secondary zone.
Thus, if the coker is operated at an effective pressure of 15 pounds per square inch in the area of the solids separator 20, the effective pressure in the secondary zone will be about 30 pounds per square inch. If the recycle fraction boils above 1000 F. and is fed at a rate of 2000 barrels per day, equivalent to 1.0 w / h / wt, then the secondary zone will be about 6 feet in diameter, and a length of about 20 feet.
It can be seen that by operating a coker in the manner provided according to the invention, the fraction of recycled deposits is retained for longer periods of time in the coker and is unlikely to volatilize before. to be coked.
Line 24 is used to recycle hot solids from heater 60 to secondary section 30. The amount of this recycle may be sufficient for all solids in that section to be supplied through line 24. The recycle solids are, preferably used to maintain independent temperature control in the secondary section. By this means, the secondary section could operate at the optimum temperature for cracking the recycled deposits, and the temperature can be higher or lower than that existing in the main zone.
The following table gives a specific list of operating conditions for the system of figure 1.
BOARD.
Power supply preheating 500 F.
Dimensions of thinned coke particles 40 to 400 microns Content of coke in the primary zone 75 tonnes Content of coke in the secondary zone 11 tonnes Content of coke in the heater 50 tonnes Height of the intermediate surface of thinned solids in the primary zone, at above recycling entrance 77 feet
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TABLE (Continued)
Surface fluidization speed 1.5 feet / sec.
Coking temperature 950 F.
Combustion zone temperature 1125 F.
Balance of materials:
Feed - 12.9% of a vacuum distillation residue of a material from the
West Texas 10,000 b./day
Steam: at the primary zone @ 200,000 b./day at the secondary zone 20.,000 b./day
Dry air to heater 31,000 standard cubic feet / day
Recycling in the secondary zone, 1100 + F. 2.000 b./day @
Circulation of coke to the heater 30,000 tonnes / day
Combustion gas - 0.1% 02; 4.1% CO 16.4% C02;
72.7% N2 6.7% H20 34,000 thousand standard cubic feet / day
Light gases, C3 5,800 thousand standard cubic feet / day
Naphtha, C4 up to 430 F. 2,570 barrels / day
Gasoil, 430 to 1100 F. 5.570 barrels / day
FIG. 2 illustrates the variant of the invention, in which the secondary zone is arranged in a vessel 30 "separate from the coking apparatus.
Two other improvements making it possible to achieve the objects of the invention are also shown. In particular, a valve 22 is used to increase the pressure in the secondary zone above that created by the pseudo-hydrostatic column of the primary zone, and the outlet of the secondary zone 30 is connected to the main coking zone. cipal 30 "near the top of the fluidized bed to minimize degradation of products from the secondary zone as they pass through the primary zone.
Only part of the main fluidified coking system of Figure 1 is shown in Figures 2 and 3. The same elements have the same references in all the figures, but with prime and second.
In FIG. 2, the secondary coking zone 30 "is connected to the main coking zone 10" by a pipe 21 having a control valve 22. Hot solids from the heater are introduced into the zone through the pipe 24. ", and a line 23 removes solids from the bed to transfer them to the heater or to be removed from the process, as products. Liquefying vapor is admitted at the bottom of the secondary zone 30" through the line 8. As mentioned above, this fluidifying gas is kept at a minimum rate. The recycled deposits are vaporized in the secondary zone through line 6 "and are coked.
The vapors rise through line 21 to the main fluidified coking zone 10 "and from there they go to the fractionation system explained above. No gas / solids separation system is shown. - felt in the space for the release or separation of fluidified solids from
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the secondary zone because, if there is training, it will not cause harm. Zone 30 "could operate on the principle of upward transfer and would not have to depend on line 23 for removal of solids introduced through line 24".
The remaining part of Fig. 2 is as explained previously, ie line 5 "removes the coke produced out of the main coking zone 10", line 3 "removes coke to remove coke. send it to the heater, line 4 "brings back the heated coke, line 7" brings in the fluidizing vapor, cyclone 20 "removes the entrained solids, product vapors, and line 2" takes the vapors from the apparatus of coking.
In Figure 3, the secondary coking zone 30 'is shown as an integral part of the main coking vessel 10'. This would be advantageous in pressure operations because only a pressure body or envelope would need to be constructed. The fraction of recycled deposits is vaporized in the secondary zone through line 6 ', and the vapors created will rise towards the main zone. Fluidifying vapor is admitted to the primary zone via line 7 ', and to the secondary zone via line 8'. Coke produced is removed through the 5t line. Line 3 'transfers the coke particles to the heater for the combustion phase. A perforated plate or grid 50 'is used to prevent an exchange of fluidized solids between the zones.
An outer recycle line 24 'is used to ensure proper circulation of solids between the primary and secondary zones. As shown, fluidizing vapor from line 8 'is admitted into line 24' to aid in the circulation of solids.
The solids in the secondary section rise past the perforated plate into the main fluidized bed. It should be understood, however, that external recycling of solids is not impossible. We could use baffles; an external downpipe could be used with the perforated tray; or, the passage could be left unobstructed to provide internal solids circulation.
Referring now to Figure 4, fresh feed is introduced into coking reactor 75 through line 76. The vapors, along with part of the bed fluidizing, are removed at the top through line 77 and transferred to. a gas and solids separator or cyclone 78. Entrained solids are removed by the cyclone, gas-like products, and the products are transferred through line 79 to another process, not shown.
The recycled fractions obtained from the product vapors by fractionation are introduced into the lower part of the coking reactor through line 80. As described below, this lower zone is at a temperature higher than that of the upper zone. ; for example, the upper zone will have a temperature of about 950 F. and the lower zone a temperature of 1000 F. As explained previously, the lower zone is at a higher pressure than the upper zone, whereby the recycled fraction is kept liquid until coking.
Baffles, grids or perforated plates 81 separate the two zones and prevent the flow of solids from the upper zone to the lower zone. The feed recycled during coking gives off vapors, and these, along with part of the fluidized bed of the lower part of the vessel, rise through the baffles to the upper zone.
The solids separated in cyclone 78 are transferred through the con-
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pick 82 by a transfer line burner 83, in which they are entrained by air supplied to the burner through line 92. The particles are transported through the burner, while being partially burned, at a higher speed at 10 to 20 feet per second, for example, 60 feet per second. When exiting the burner, the combustion gases are separated from the solids heated by cyclone 84 and are discharged through line 85. Hot solids pass from the cyclone to the lower coking zone through line 86.
By injecting the solids coming into the lower coking zone, and by proper control of the feed rates, the two zones can exist at desired independent temperatures. If desirable in a particular case, the temperature of the lower coking zone can be controlled independently by separate introduction of solids from the upper zone, by cooling the coke, or by controlling the temperature of the feed.
As explained above, fluidizing vapor is admitted into the zones, respectively through line 87 and line 88. Transport steam or aeration gas is admitted into the solids transfer line 86, through line. driving 89.
Line 90 is used to remove coke and agglomerates produced in the reactor. Coke produced can also be removed from the process via line 91.
The upflow reaction vessel, as described, allows the use of high gas velocities, which increases the allowable rate of oil feed for a given reactor volume. Likewise, with an upflow vessel, unwanted void space in the bed is eliminated, and this reduces the amount of vapor phase cracking occurring in the upper zone.
It should be understood that the invention is susceptible of numerous variations, and that it is not limited to the description of the four forms of application above.
CLAIMS.
1. - A process for improving heavy hydrocarbon oils, which comprises: injecting a heavy hydrocarbon oil into a primary coking zone containing a mass of finely divided fluidified solids; the circulation of a portion of these fluidized solids to an external heater with return thereafter, to maintain the temperature of this mass at a coking value; maintaining this oil in this coking vessel for a period of time sufficient to convert a significant portion of this feed into gas products and carbonaceous residue; passage of these gasiform products to a separation zone; separation from these gasiform products, of a relatively heavy fraction;
recycling at least a part of this fraction to a secondary coking zone in fluid communication with this primary zone, said secondary zone containing a bed of fluidized, finely divided, hot solids and lying at a height pressure substantially greater than the pressure existing in the primary coking zone; and passing the vaporous product from this secondary coking zone to the primary zone.