<Desc/Clms Page number 1>
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
<Desc/Clms Page number 2>
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
EMI2.1
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
<Desc/Clms Page number 3>
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
<Desc/Clms Page number 4>
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
<Desc/Clms Page number 5>
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
<Desc/Clms Page number 6>
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-
<Desc/Clms Page number 7>
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.