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"Perfectionnements à la cokéfacion fluide'd'hydrocarbures lourds et aux appareils utilisés".
La présente invention est relative à un procédé de conver- sion d'hydrocarbures. Llle se rapporte plus specialement à la cokéfaction d'huiles résiduaires lourdes par la technique des solides fluidifies. La présente invention concerne en particulier
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un procédé amélioré de cokéfaction fluidifiée d'huiles hydrocar- bondes, dans lequel une charge de cokéfaction est-mise en contact à une température de cokéfaction avec une masse'de particules de coke maintenues en un état fluidifié dans une zone de'cokéfaction.
L'huile hydrocarbonée qui constitue la' charge de cokéfaction du présent procédé.est, de préférence, un résidu à point d'ébulli- tion élevé , de faible valeur, d'environ -10 à 20 de gravité API ayant une teneur'de-carbone Conradson d'environ 5 à 50 % en poids, et un point d'ébullition supérieur à environ 900 à 1200 F.
D'une manière générale, cependant, toute¯huile hydrocarbonée peut Être traitée dans le présent procédé, notamment les huiles de schiste, les goudrons, les asphaltes, des huiles dérivant des charbons, les huiles'synthétiques, des produits de queue lourds recyclés pro- venant de l'appareil de.cokéfaction, des)matières brutes entières', des fractions de distillation et résiduaires lourdes, ou des mé- langes de ces matières.
On connaît un procédé de cokéfaction fluidifiée, dans le- quel une huile est pyrolytiquement améliorée par contact-à une température de cokéfaction avec des solides en particules mainte- nus en un. état fluidifié dans un récipient.de cokéfaction. Lors du contact avec les solides-,, l'huile subit une pyrolyse, en formant des hydrocarbures plus légers et en déposant un'résidu carboné sur les particules solides en amenant ainsi celles-ci à croître en di- mensions. La chaleur nécessaire pour la pyrolyse'est-.fournie-par. circulation d'un courant des solides fluidités à travers-une zone de chauffage extérieure, par exemple, une zone de combustion, avec retour ensuite au récipient'de', cokéfaction.
Du fait qu'il y a une plus grande quantité de coke produit par le procédé de cokéfaction qu'il n'est nécessaire pour .la four- niture de chaleur par brûlage, les solides porteurs de chaleur con- tinueront à croître en dimensions à cause des dépôts de carbone, et une partie des solides doit être enlevée pour maintenir sensible
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ment constant la masse totale ou l'inventaire en poids des parti- cules.
On a accoutumé dans les procédés industriels d'enlever une certaine quantité du coke du système,.de'broyer le coke d'une ma- nière quelconque pour former du coke élémentaire ou noyaux destinés à croître, et de renvoyer le coke' .élémentaire au proc.édé pour main- tenir relativement constantes'les dimensions des particules et la répartition des dimensions de particules.-Cette réduction des di- mensions des solides peut être réalisée, par exemple, par,un broyage par 'frottement avec ajutage.
Le coke produit net peut être classé, par exemple, par une séparation par décantation, de manière que seule la matière -relativement grosse soit enlevée, le coke d'une dimension élémentaire étant ainsi conservé.
De sérieux problèmes se sont présentés au cours du développe- ment de ce type de cokéfaction. Un problème est, en parti l'accroissement des dépôts du coke sur les'parois délimitant l'es- pace de vapeur situé au-dessus .du lit fluidifié.Ces dépôts forcer la chute de pression dans l'appareil de cokéfaction'et les condui- tes supérieures à augmenter jusqu'à un degré propre à exiger que l'appareil de cokéfaction soit arrêté périodiquement et nettoyé.
Comme les vapeurs quittant le lit de cokéfaction sont à leur . point de rosée ou de condensation ou près de ce point; elles se condenseront facilement. Cette condensation est aidée par les ré- actions de condensation et de polymérisation endothermiques, se produisant dans la phase'de vapeur. On a trouvé que si cette con- densation des vapeurs de l'appareil de cokéfaction se trouve sur des surfaces ayant 'une température d'environ 700 à 1000 F, il se produit'un dépôt sérieux'de coke.
Un but de la présente invention est de'prévoir un procédé destiné à éliminer ou àminimiser grandement ce problème de la cokéfaction se produisant à la partie supérieure de 1''appareil, dans un procédé de cokéfaction fluidifiée d'huiles hydrocarbonées.
On a maintenant trouvé que le dépôt' de coke sur les surfaces
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intérieures du récipient de cokéfaction au-dessus du lit de coké- faction peut être sérieusement empêché où.pratiquement éliminé en
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maintenant, dans les vapeurs enlevées'*àg soriirtiet, des. solides entrai nés venant du lit de.cokéfaction fluidifié, en.des quantités supé- rieures'à un minimum critique déterminé, en pariculier au-dessus de 400 livres par 'barrel de charge de'cokéfaction.
Des solides entraînés en des quantités supérieures à ce niveau critique aident entretenir la température des' valeurs, à nettoyer les surfaces envi ronnantes en enlevant ainsi les dépôts de carbone, et à donner des surfaces sur lesquelles les vapeurs. de condensation sont absorbées.
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On na.stétait pas rendu compte jusqu'à présent que des solides entraînés provenant du lit de cokéfaction, s'ils sont en une quantité supérieure à un niveau critique dans Des vape rs pro- duites de l'appareil de cokéfaction, empêchent le dépôt de coke et l'encrassement de la partie supérieure du réacteur de cokéfaction.
La présente invention réside dans la découverte que, par un contrôle convenable des conditions opératoires d'un procédé de cokéfaction, partiellement par contrôle des dimensions de particules, de la ré-
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partition des aimexons de particules, et des vitesses des gaz de fluidificat-ion, les vitesses au taux d'entraînement, de particules solides à partir'du li--fluidifié peuvent être réglés;
en outre, par réglage de la vitesse d'entraînement et son:rnaint3.en au-dessus d'un nivenau minimum' critique déterminé, le dépôt, .de coke est prati-
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CjLleWent.¯ él.minê. .l "" - ..' La nature et les buts de la présente invention, apparat front plus clairement de la,. description suivintey donnée avec réfé- rence aux dessins annexés. - La. figure I présente schématiquejient un procédé préféré de cokéfaction fluidifiée d'huiles hydrocarbonées, conçu pour per-
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mettre d'atteindre les buts de la présente invention.
Les figures II,III et IV sont des représentations gra-
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phiques de résultats, illustrant la présente invention et ses avan- tages.
En se référant à la figure I, -les principaux éléments de l'installation représentés sont un récipient de cokéfaction 1, et-un. récipient de combustion ou brûleur 2 utilisé pour fournir de la chaleur au procédé. L'appareil de cokéfaction fluidifiée 1 contient 'un lit fluidifié de solides à haute température, ayant un niveau supérieur L. Les solides utilisés dans le procédé de coké- faction sont, de préférence,'des particules de coke finement divi- sées produites par le procédé. On peut cependant employer d'autres solides, tels que. du sable., du catalyseur épuisé, de la pierre ponce, etc. Dans cette conception particulière de récipient de co- kéfaction, la partie inférieure la sert comme zone d'enlè- ment ou séparation.
La partie intermédiaire 1b est de forme coniquee de ma- nière à réduire a,u minimum la consommation de gaz fluidifiant en permettant aux produits de conversion formés. dans la partie infé- rieure de l'appareil de cokéfaction, de servir comme gaz fluidi- fiant dans les parties supérieures.
La partie supérieure lc est rétrécie de manière à augmenter la -'vitesse des vapeurs enlevées au sommet, en diminuant ainsi le cracking secondaire en. phase vapeur des produits. Comme.on le verra par après, le degré de réduction de la section transversale de l'appareil de cokéfaction en ce poinb est une considération importante de la conception, car :les' vitesses des vapeurs affectent la vitesse d'entraînement des solides.
L'huilera améliorer, tel qu'un.résidu obtenu sous le , vide, est injectée dans le récipient en une série de- points par la conduite 3. Le taux d'alimentation est de préférence, maintenu à une valeur comprise' entre 25 et 150-barrels par pouce par pied carré de. section transversale du ,réacteur auniveau supérieur du lit. L'huile subit une pyrolyse à une température de l'ordre de 850 à l600 F, de préférence 950 à 1050 F. Lorsqu'on désire des gasoils,- pour un craking -catalytique$ l'appareil de cokéfaction
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fonctionne à une température de l'ordre de ;j0 à 1C50 r'.
Lc1x-srju' oi désire des produits plus légers, par exemple, des naphtes et des huiles de-chauffage, lit température oiy,tôire est d'environ 10500 à 12-Ov F', et lorsqu'on désire des produits'--chimiques et des inter- média-ires chimiques, la température est de 1. à l600 F, de pré- férence 1300 a 140 F. On adMet de la vapeur à la base du reci- pient par une conduite 4. Cette vapeur sert, en premier lieu, à épurer les particules'.de coke avant que le coke ne soit mis en cir- culation vers le brûleur, et ensuite cette vapeur s'élève à travers le récipient en y fluidifiant les. solides.
Les produits de réaction sont .enlevés au sommet par la conduite 5, après que les solides
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entraînés .'ont été enlevés par un cyclone'6, et ils peuvent être ultérieurement traités,suivant les besoins.
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Afin defournip de la. chaleur au procédé, des solides sont..Mis en circulation depuis la base du récipient de cokéfaction par la conduite 7 vers un récipjent brûleur 2. Là, les-particules aont fluidifiées par un gaz oxy(Etnt;, par exemple de l'air, fourni par la conduite 6. La combustion résultante chauffe les particules jusqu.'à une température dépassant de 100 à 300 F la température de
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cokéfaction. Après enlèvement des solides en-6i,rinés,' les gaz de combustion sont evés au sommet du récipient brûleur par lacon- duite 9 et peuvent être libérés à l'atmosphère. 'Les. solides -'chauffé. sont transférés au récipient de cokéfaction fluidifiée par.la con- duite 10.
On peut évidemment utiliser d'autres moyens pour réchauf- fer les particules de coke, notaient des brûleurs à lit tombant, des brûleurs à conduite de transfert, des systèmes de chauffage à
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Erenailles, et autres moyens de chauffage direct et indirect. La conduite 11 permet l'enlèvenem du récipient de cokéfaction, cu col. net et des agglomérats produits par le procédé.
-Des dépôts de cokéfaction se formerai normalement
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diiiis i 'É'i<> i' ïi <1i= cokéfaction sur .les surfaces situées cïtl-11C8:5L1:.'s du niveau Ldit lit ±lU "ï±1.é, ilotz< iÎ.iànt .l.e;> ;iqr.i' ices du cyclone u =: cie la conduite "P"l'i"11" 5, ntaï.ns au t otl'tiE pnenne des mesures
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pour empêcher cette formation.
La.présente invention se précocupe en premier lieu de la prévention de la cokéfaction'entre le niveau L
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du lit fluidifié et l'entrée 0 au cycïqrï,e' bi.en que''l'opération sui, vaut. la présente invention soit amenée également réduire sensible. dent -la'cokéfaction sur l'installation au-delà de. cette entrée C.
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C'est cependant dans cette zone comprise en"L"et C que se produit la plus grande quantité de dépôtde coke au cours d'opérations normale de cokéfaction. ' Dans,,certains procédés de cokéfaction, les moyens de séparation-des solides, par exemple, les cyclones, sont disposés -
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extérieurement au, réacteur de cokéfaction.
La présente invention 'sr également'"applicable à de tels types de conception.
Suivant la présente invention, la vitesse supc--icielle des tapeurs que comprennent les produits de réaction et le gaz flui difiant, à travers. la surface supérieure L du lit fluidifié, est réglée pour obtenir un entraînement supérieur à 400 livres.par barrel de charge alimentée à l'appareil de cokéfaction. En maintenant ce taux d'entraînement, on empêche pratiquement la cokéfaction de 1''installation.
On appréciera le caractère critique d'un maintien d'un
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certain taux dlentraillement en se référant à la figure II. Celle-c.
.'.présente les résultats obtenus.avec un appareildâ 'cokéfaction flu aifiée fonctionnant sous/les conditions habituel'les..' Labscisse de la figure II donne 1''augmentation de la chute'de .'pression (pouces
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d'eau par jour) depuis le .niveau L du lit fluidifié à travers la sortie du cyclone, due à la' cokéfaction et à l'encrassage dans un
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récipie.nt de cokéfaction, .tandis .que. l'ordonnée donne la quantité de solides entraînés dans les vapeurs enlevées au sommet,et ce en livres par barrel d'alimentation. Comme on peut le voir aisément, la cokéfaction de l'installation est virtuellement non existante
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lorsque le ta: d t entranement est supérieur à @oxo livres par bar.. ?rel d'alimentation.
Lorsque le taux d'entraînemeilt est inférieur
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à 400 livres par uG i'r :1 y 1 trl.r;;uts.-xrt,tian de la chute de p:Ct:;[:;J)t1, due à la cok.jf",ct.wl1, â t C:.GVE: alors du façon presque exponentielle avec la diminution du ttiU;: d' e;itraînc<;iéht . '[a figure contre ,;[}.<10- ment. qu'il n'y 1 pas fCtavr.rlta ; j)rtiqüe oÓI<Jnu en ma...intelJUlt l,.,; taux d.\:mtranel1lont au-dessus d9 Ü0C? livras di,i solides pbr b:>r.i,;1 Ù ,alili1<.'.1 tu tion.
Le ti.dl:;. d' entré.lî!1e!ùent de solides à parbir lit; 3¯ui- difi'é est priiici@r)alc,rtieiit, par rét,lae:e de la vinsse suft-r.ïi.- gielle du ¯5az fluidifiant. Il faut faire attention Ct:7E:tiC;sYit la ctimension. des particules et à la répartition des du coke fluidifié. Pour une natière relativeuent grosse, la vitesse ça ,":.z fluidifiant, devra être plus élevée pour obtenir un donné, à l'opposé de ce qu'elle devra être en utiliSé nt '.' ¯¯tiërE plus fine.
La vitesse du gaz fluidifiant peut être réglée par di- verses méthodes. La quantité de vapeur. fluidifiante ou autres gaz inertes utilisés peut évide ment être contrôlée pour régler la vi-
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tesse du gaz'fluidifiant. Une utilisation excessive de gaz.fluidi- fiant' doit. cependant être évitée, car elle a pour résultat une opération non économique. Le taux d'injection d'alimentation dans récipient de cokéfaction ,peut également être co,ntrôlé de manière à 'régler la vitesse du gaz fluidifiant.
Cette méthode' de réglage en
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soi n'est pas très intéressante, car elle peut' s'Ígnifier- dE>.ns cer- tains cas que l'appareil de cokéfaction devra'fonctionner à des capacités inférieures au maximum..Une méthode préférée de réglage de la vitesse superficielle' du gaz consiste à régler le niveau L du lit fluidifié le long d'une partie conique du réacteur, comme
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représenté. Îl "'ÎEJ""%ÎitÉ.Îit la quantité de coke maintenu dans le réac teur, le niveau L se déplacera vers le haut le long de cette partie conique et, en conséquence, la section transversale do la sur fa ce r lit fluidifié diminuera.
De la sorte, la vitesse du gaz fluidifiant travers cette surface sera augmentée, et le taux d'entraînement
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sera ainsi accru. Le degré de conicité est Ó v.ido,11!ilent une question
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de conception;
il peut être prcvu pour répondre à une très large gamme de conditions opératoires. Pour une conception convenable , le réacteur peut être conformé pour atteindre un taux d'entraîne- ment supérieur à 400'livres de coke par barrel, sans¯ qu'il soit nécessaire de recourir à des techniques spéciales de réglais*
Pour autant qu'on le sache, on croit que l'entraîne- ment à partir d'un lit fluidifié avec une dimension -de particules et une vitesse superficielle de gaz donnëes, et.
la, quantité de sol des entraînés dans les vapeurs enlevées sont pratiquement indépene dants de la-géométrie ou conformation au sommet ou au-dessus du . lit fluidifié à l'exception de la zone de sortie ou perturbée du la distance de réacteur.'Cette zone de sortie est définie par/la surface du lit fluidifié à l'orifice du cyclone, désignée par O au de in.
Lorsque la zone de sortie augmente, la quantité de'solides conte- nus dans les vapeurs dans les parties les plus hautes du réacteur sera diminuée.
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La figure III montre par des rapports simplifiés une métho- de de réglage du taux d'entraînement. Hien que la dimension des par- ticules de coke utilisées dans la cokéfaction fluidifée puisse va- rier de 0 à 1000 microns de plus, la dimension préférée est de l'or- dre de 40 à 500 microns, avec une dimension moyenne de 200 à 300 mi- crons. La répartition des dimensions des particules peut varier dans ces gammes. La répartition préférée des dimensions des particules est telle que 10 à 20% en poids du coke ont une dimension inférieure à 147 microns, 30 à 60% en poids ont une dimension inférieure à 175 migrons, 60 à 90 en poids ont une dimension inférieure à 246 mi- crons, et 0 à 5% en poids ont une dimension ne dépassant pas 400 mi- crons.
Cette dimension et cette répartition des dimensions sont ré- glées en réglant le taux et la dimension du coke élémentaire ajou- té et du coke produit enlevé. Les particules de coke préser met nob- malement une densité réelle de particules de l'ordre de 90 à 110 livres par pied cube. Les vitesses superficielles de gaz dans le réac. teur seront de l'ordre de 1 à 5 pieds/sec, et les densités de lit se- ront de l'ordre de 30 à 55 livres par pied cube.
Pour un récipient de cokéfaction fluidifie opérant sous des conditions normales de cokéfaction, par exemple, une température de 950 F, une pression effective de 60 livres par puce carré, une quan- tité de vapeur fluidifiante de 5% en poids par rapport à l'alimenta- tion, un taux de circulation - de coke vers le brûleur de 15 livres par'livre d'alimentation, etc., des diagrammes du type de ceux de la figure III peuvent être obtenus. La figure III met en rapport le taux d'alimentation en barrels par jour par pied carré de surface transver*. sale du réacteur'(en abscisse A), et le taux d'entraînement en livrer par barrel d'alimentation ( en ordonnée), taux qui dépend'de la vi- tesse superficielle de gaz(en abscisse B, en pieds par seconde), et de la répartition considérée des dimensions du coke.
Le pourcentage en poids retenu sur un tamis de 80 mailles par pouce linéaire est utilisé au graphique, comme valeur indicative de la répartition des
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dimensions du coke. De la sorte, pour un jeu de conditions, la vi- tesse de gaz fluidifiant nécessaire pour obtenir l'entraînement mi- nimum nécessaire pour éviter un dépôt de coke peut être obtenue de la figure III, en suivant les lignes X, Y1.. 'et Z dans le sens indiqué.
Un appareil industriel de cokéfaction fluidifiée peut être conçu pour procurer une vitesse de gaz suffisante dans le haut du réacteur afin d'arriver à un entratnement suffisant sous des condi- tions normales. Il est possible cependant qu'une unité de cokéfac- tion puisse être appelée à opérer à des taux d'alimentation très va- riables. Par exemple, l'unité peut traiter 10.000 barrels d'huile par jour en' hiver et ne devoir traiter que 4.000 barrels par jour en été. Au plus faible taux d'alimentation, la vitesse des gaz au haut du réacteur sera fortement réduite. Cela signifie qu'à moins d'in- ervention de contrôles opératoires spéciaux, le taux d'entrtinement deviendra dangereusement faible, ce qui mène à des dépôts de coke dans le haut du réacteur, avec ensuite un arrêt nécessaire de l'uni- té.
En utilisant un graphique similaire à celui de la figure III, un entraînement convenable peut cependant être maintenu. Lorsque le taux d'alimentation est réduit, la vitesse des gaz et les dimensions des particules du coke en circulation peuvent être modifiées pour mainte- nir l'entraînement supérieur à 400 livres par barrel d'alimentation.
La vitesse peut être réglée en augmentant la quantité de gaz fluidi- fiant et en réglant la position de la surface du lit fluidifié par rapport à la partie conique supérieure du réacteur, si celui-ci est ainsi conçu. La dimension des particules et la répartition des di- mensions peuvent être modifiées en réglant la quantité et la dimen- sion du coke élémentaire ou des noyaux sujets à croissance, ajoutés au système .
Par exemple, en se référant à la figure III, un réacteur de cokéfaction peut normalment traiter 80 barres d'alimentation par jour par pied carré de section transversale du réacteur. On peut dé- sirer que l'entraînement à ce taux soit d'environ 600 livres par bar- rel d'alimentation. Les lignes X',Y' et Z' de la figure III représen
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tent les conditions nécessaires au'maintien de l'entraînement désiré.
Si le taux d'alimentation devient de 40 barrels par jour par pied car. ré, l'entratnement tombera alors en dessous du minimum pour réaliser une opération en toute sécurité, même si.cette diminution est partiel- lement compensée par une diminution des dimensions de particules, com- me indiqué par les lignes X,Y" et Z". Mais par un changement à la fois de la vitesse: des gaz et des dimensions de particules, comme indiqué par les lignes X,Y et Z, l'entraînement peut être ramené aux 600 li- vres par barrel désirées.
La figure III est basée sur un récipient de cokéfaction ayant environ 11 pieds de hauteur dé zone de sortie O. La figure IV illustre un procédé qui peut être utilisé pour extrapoler les résul- tats de la figure III à un récipient de cokéfaction ayant une sone de sortie - différente. L'abscisse de la figure IV donne la sestion de sortie en pieds de haut, et l'ordonnée donne un multiplicater qui peut être utilisé pour régler les courbes dans la partie gauche de la figure III vers le haut et vers le bas.
Il doit être entend,u que les figures III et IV n'ont été u- tilisées que pour illustrer une méthode de réglage et de détermina- tion du taux d'entraînement; l'invention n'est donc pas limitée à cette méthode. D'autres méthodes peuvent être utilisées. Il est impo tant cependant que l'entraînement dans les vapeurs enlevées au sommer soit supérieur à 400 livres par barrel d'alimentation.
Les solides entraînés suivant la présente invention consti- tuent le moyen le plus avantageux pour empêcher des dépôts de coke avant l'orifice du cyclone. Cependant, un dépôt de coke'dans le cy- clone et au-delà est également empêché car l'entraînement important miniminise la chute de température et, par conséquent, empêche une condensation des vapeurs. Les solides absorbent également tout con- densat et matière polymère formés à partir des vapeurs. Les solides entraînés fourniront aussi une action de nettoyage dans le cyclone et, du fait de certaines pertes de coke à travers le cyclone, ces solides nettoyeront également les conduites au-delà du cyclone.
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"Improvements in the fluid coking of heavy hydrocarbons and the devices used".
The present invention relates to a process for the conversion of hydrocarbons. It relates more specifically to the coking of heavy waste oils by the technique of fluidized solids. The present invention relates in particular
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an improved process for the fluidized coking of hydrocarbon oils, in which a coking charge is contacted at a coking temperature with a mass of coke particles maintained in a fluidized state in a coking zone.
The hydrocarbon oil which constitutes the coking feed for the present process is preferably a high boiling, low value residue from about -10 to 20 API gravity having a content of. -Conradson carbon of about 5 to 50% by weight, and a boiling point greater than about 900 to 1200 F.
Generally speaking, however, any hydrocarbon oil can be processed in the present process, including shale oils, tars, asphalts, oils derived from coals, synthetic oils, heavy tailings recycled pro. - from the firing apparatus, whole raw materials, heavy distillation and waste fractions, or mixtures of these materials.
A fluidized coking process is known in which an oil is pyrolytically improved by contacting at a coking temperature with particulate solids held in one. fluidized state in a coking vessel. Upon contact with the solids, the oil pyrolysis, forming lighter hydrocarbons and depositing carbonaceous residue on the solid particles thereby causing them to grow in size. The heat required for pyrolysis is-. Supplied-by. circulation of a stream of the fluidized solids through an exterior heating zone, eg, a combustion zone, with subsequent return to the coking vessel.
Because there is more coke produced by the coking process than is required for the burn-in heat supply, the heat-carrying solids will continue to grow in size at. causes carbon deposits, and some of the solids must be removed to maintain sensitive
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The total mass or the inventory by weight of the particles is constant.
It has been customary in industrial processes to remove a certain amount of coke from the system, to grind the coke in some way to form elemental coke or nuclei for growth, and to return the elemental coke. The process of keeping the particle sizes and particle size distribution relatively constant. This reduction in solids sizes can be achieved, for example, by frictional grinding with a nozzle.
The net produced coke can be classified, for example, by settling separation, so that only the relatively coarse material is removed, thereby retaining coke of an elementary size.
Serious problems have arisen during the development of this type of coking. One problem is, in part, the increased deposits of coke on the walls delimiting the vapor space above the fluidized bed. These deposits force the pressure drop in the coker and the Higher conducts to increase to an extent such as to require the coker to be periodically shut down and cleaned.
As the vapors leaving the coking bed are at theirs. dew or condensation point or near this point; they will condense easily. This condensation is aided by the endothermic condensation and polymerization reactions occurring in the vapor phase. It has been found that if this condensation of the vapors from the coker is on surfaces having a temperature of about 700 to 1000 ° F, serious coke settling occurs.
An object of the present invention is to provide a process for eliminating or greatly minimizing this problem of coking occurring at the top of the apparatus, in a process for the fluidized coking of hydrocarbon oils.
It has now been found that the deposit of coke on the surfaces
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interior of the coking vessel above the coking bed can be seriously prevented or practically eliminated by
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now, in the vapors removed '* àg soriirtiet, des. Solids input from the fluidized coking bed in amounts greater than a specified critical minimum, particularly above 400 pounds per barrel of coking charge.
Solids entrained in amounts above this critical level help maintain the temperature of the values, clean the surrounding surfaces thereby removing carbon deposits, and provide surfaces on which the vapors. of condensation are absorbed.
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It has heretofore not been realized that entrained solids from the coker bed, if in an amount greater than a critical level in vapors produced from the coker, will prevent deposition. of coke and fouling of the top of the coking reactor.
The present invention resides in the discovery that, by proper control of the operating conditions of a coking process, partially by control of the particle sizes, the re-
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partition of particle magnetism, and fluidification gas velocities, velocities at entrainment rate, of solid particles from the fluidized li-can be adjusted;
furthermore, by adjusting the drive speed and its: rnaint3.en above a determined minimum critical level, the deposition of coke is practiced.
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CjLleWent.¯ el.minê. The nature and objects of the present invention appear more clearly from here. following description given with reference to the accompanying drawings. - Figure I shows schematically a preferred process for the fluidized coking of hydrocarbon oils, designed to per-
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to achieve the objects of the present invention.
Figures II, III and IV are graphical representations
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phiques of results, illustrating the present invention and its advantages.
Referring to Figure I, -the main elements of the installation shown are a coking vessel 1, and -a. combustion vessel or burner 2 used to supply heat to the process. The fluidized coking apparatus 1 contains a fluidized bed of high temperature solids having a higher level L. The solids used in the coking process are preferably finely divided particles of coke produced by the process. However, other solids can be used, such as. sand, spent catalyst, pumice stone, etc. In this particular design of the coking vessel, the lower part 1a serves as a removal or separation zone.
The intermediate part 1b is of conical shape so as to reduce to a minimum the consumption of fluidizing gas while allowing the conversion products formed. in the lower part of the coker, to serve as a fluidifying gas in the upper parts.
The top 1c is narrowed so as to increase the velocity of the vapors removed at the top, thereby decreasing the secondary cracking. vapor phase of products. As will be seen later, the degree of reduction in the cross section of the coker at this point is an important design consideration because: vapor velocities affect the solids entrainment rate.
The improving oil, such as a vacuum residue, is injected into the container at a series of points through line 3. The feed rate is preferably maintained at a value of 25 and 150-barrels per inch per square foot of. cross section of the reactor at the upper level of the bed. The oil undergoes pyrolysis at a temperature of the order of 850 to 1600 F, preferably 950 to 1050 F. When gas oils are desired, - for catalytic cracking $ the coker
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operates at a temperature of the order of; j0 to 1C50 r '.
Lc1x-srju 'oi desires lighter products, for example, naphtha and heating oils, bed temperature oiy, tôire is about 10,500 to 12-Ov F', and when products are desired '- chemicals and chemical intermediates, the temperature is 1. to 1600 F, preferably 1300 to 140 F. Steam is admitted to the base of the vessel through line 4. This steam is used, first, in purifying the coke particles before the coke is circulated to the burner, and then this vapor rises through the vessel, fluidifying them therein. solid.
The reaction products are removed at the top through line 5, after the solids
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entrained. 'have been removed by a cyclone'6, and they can be further processed as needed.
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In order to provide the. heat to the process, solids are ... Circulated from the base of the coking vessel through line 7 to a burner vessel 2. There, the particles have been fluidized by an oxy gas (Etnt ;, for example air , supplied through line 6. The resulting combustion heats the particles to a temperature that is 100 to 300 F above the room temperature.
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coking. After removal of the rinsed solids, the flue gases are evacuated at the top of the burner vessel through conduit 9 and can be released to the atmosphere. 'The. -heated solids. are transferred to the fluidized coking vessel via line 10.
Of course, other means can be used to reheat the coke particles, noted falling bed burners, transfer line burners, gas heaters.
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Erenailles, and other direct and indirect heating means. Line 11 allows the removal of the coking vessel, col cu. net and agglomerates produced by the process.
-Coking deposits will form normally
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diiiis i 'É'i <> i' ïi <1i = coking on .the surfaces located cïtl-11C8: 5L1:. 's of the level Ldit lit ± lU "ï ± 1.é, ilotz <iÎ.iànt .le; >; iqr.i 'ices of the cyclone u =: cie the pipe "P" the i "11" 5, ntaï.ns at the t otl'tiE of the measurements
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to prevent this formation.
The present invention is primarily concerned with the prevention of coking between level L
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of the fluidized bed and the entry 0 to the cycïqrï, e 'bi.en que''l'operation sui, is worth. the present invention is also brought down significantly. dent -coking on the installation beyond. this entry C.
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It is, however, in this zone comprised in "L" and C that the greatest quantity of coke deposit occurs during normal coking operations. 'In some coking processes the means for separating solids, for example, cyclones, are arranged -
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externally to the coking reactor.
The present invention is also applicable to such types of design.
In accordance with the present invention, the higher speed of the tapers comprised of the reaction products and the flowing gas through. the upper surface L of the fluidized bed is adjusted to obtain a drive greater than 400 lbs. per barrel of load supplied to the coker. By maintaining this carry-over rate, coking of the plant is practically prevented.
We will appreciate the critical nature of maintaining a
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certain rate of entanglement with reference to figure II. This one c.
. '. shows the results obtained with an easy-to-use fluid coker operating under the usual conditions. Labscisse of Figure II gives the increase in pressure drop (inches).
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of water per day) from the L level of the fluidized bed through the outlet of the cyclone, due to coking and fouling in a
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coking container,. while. the ordinate gives the quantity of solids entrained in the vapors removed at the top, in pounds per supply barrel. As one can easily see, the coking of the installation is virtually non-existent.
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when the training ta: d t is greater than @oxo pounds per bar ..? real of feed.
When the training rate is lower
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at 400 pounds per uG i'r: 1 y 1 trl.r ;; uts.-xrt, tian of the fall of p: Ct:; [:; J) t1, due to the cok.jf ", ct.wl1 , â t C: .GVE: then in an almost exponential way with the decrease in ttiU ;: d 'e; itraine <; iéht.' [a figure against,; [}. <10- ment. 1 not fCtavr.rlta; j) rtiqüe oÓI <Jnu en ma ... intelJUlt l,.,; Rate d. \: Mtranel1lont above 9 Ü0C? Livras di, i solids pbr b:> ri,; 1 Ù, alili1 <. '. 1 tu tion.
The ti.dl:;. of entry.lî! the! ùent of solids to parbir bed; 3¯ui- difi'é is priiici @ r) alc, rtieiit, by ret, lae: e of the vinse suft-r.ïi.- gielle of the fluidifying ¯5az. Be careful Ct: 7E: tiC; sYit the ctimension. particles and the distribution of the fluidized coke. For a relatively large natter, the speed that, ":. z fluidifying, will have to be higher to obtain a given, the opposite of what it should be in use '.' Thinner ¯tiërE.
The speed of the liquefying gas can be adjusted by various methods. The amount of steam. fluidizing or other inert gases used can obviously be controlled to regulate the speed.
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tess of fluid gas. Excessive use of fluid gas must. however, be avoided, as it results in an uneconomical operation. The feed injection rate into the coking vessel can also be controlled so as to adjust the speed of the fluidizing gas.
This method of adjustment in
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itself is not very interesting, as it can be spelled out in certain cases that the coker will have to operate at capacities below the maximum. A preferred method of adjusting the surface speed '' of the gas consists in adjusting the level L of the fluidized bed along a conical part of the reactor, as
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represented. If the amount of coke is kept in the reactor, the level L will move upward along this conical portion and, accordingly, the cross section of the over fa this fluidized bed will move upward. will decrease.
In this way, the speed of the fluidifying gas through this surface will be increased, and the entrainment rate
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will thus be increased. The degree of taper is Ó v.ido, 11! Ilent a question
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Design;
it can be designed to meet a very wide range of operating conditions. For proper design, the reactor can be configured to achieve a drag rate in excess of 400 pounds of coke per barrel, without the need for special regulatory techniques *
As far as is known, it is believed that entrainment from a fluidized bed with a given particle size and surface gas velocity, and.
The amount of soil entrained in the vapors removed is practically independent of the geometry or conformation at the top or above the. fluidized bed with the exception of the exit or disturbed zone of the reactor distance. This exit zone is defined by / the surface of the fluidized bed at the orifice of the cyclone, denoted by 0 au de in.
As the outlet area increases, the amount of solids contained in the vapors in the upper parts of the reactor will be decreased.
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Figure III shows in simplified ratios a method of adjusting the entrainment rate. While the size of the coke particles used in fluidized coking may range from 0 to 1000 microns more, the preferred size is in the order of 40 to 500 microns, with an average size of 200 to. 300 microns. The particle size distribution can vary within these ranges. The preferred particle size distribution is such that 10 to 20% by weight of the coke is less than 147 microns in size, 30 to 60% by weight is less than 175 migrons, 60 to 90 by weight is less than 246 microns, and 0 to 5 wt% have a size not exceeding 400 microns.
This size and size distribution is controlled by adjusting the rate and size of elemental coke added and product coke removed. The preser coke particles usually have an actual particle density in the range of 90 to 110 pounds per cubic foot. The superficial gas velocities in the react. The density will be in the range of 1 to 5 feet / sec, and bed densities will be in the range of 30 to 55 pounds per cubic foot.
For a thinning coking vessel operating under normal coking conditions, for example, a temperature of 950 F, an effective pressure of 60 pounds per square chip, a thinning vapor amount of 5% by weight based on feed, a coke flow rate to the burner of 15 pounds per feed pound, etc., diagrams like those in Figure III can be obtained. Figure III relates the feed rate in barrels per day per square foot of transverse area *. flow of the reactor '(on abscissa A), and the drive rate in delivering per supply barrel (on the ordinate), a rate which depends on the superficial gas velocity (on abscissa B, in feet per second) , and the considered distribution of the dimensions of the coke.
The percentage by weight retained on an 80 mesh per linear inch screen is used in the graph, as an indicative value of the distribution of
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dimensions of the coke. In this way, for a set of conditions, the speed of fluidizing gas necessary to obtain the minimum entrainment necessary to avoid a deposit of coke can be obtained from FIG. III, following the lines X, Y1 .. 'and Z in the direction indicated.
An industrial fluidized coker can be designed to provide sufficient gas velocity through the top of the reactor to achieve sufficient entrainment under normal conditions. It is possible, however, that a coking unit could be called upon to operate at widely varying feed rates. For example, the unit can process 10,000 barrels of oil per day in the winter and only need to process 4,000 barrels per day in the summer. At the lower feed rate, the gas velocity at the top of the reactor will be greatly reduced. This means that unless special operating controls are intervened, the build-up rate will become dangerously low, leading to coke deposits at the top of the reactor, with subsequent shutdown of the unit. .
By using a graph similar to that of Figure III, however, proper training can be maintained. When the feed rate is reduced, the gas velocity and particle sizes of the circulating coke can be altered to maintain the entrainment above 400 pounds per feed barrel.
The speed can be controlled by increasing the amount of fluidifying gas and adjusting the position of the fluidized bed surface relative to the upper conical portion of the reactor, if so designed. The particle size and size distribution can be altered by controlling the amount and size of the elemental coke or growing nuclei added to the system.
For example, referring to Figure III, a coking reactor can normally process 80 feed bars per day per square foot of reactor cross section. The training at this rate may be desired to be about 600 pounds per bar of feed. The lines X ', Y' and Z 'of figure III represent
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provide the conditions necessary to maintain the desired training.
If the feed rate becomes 40 barrels per day per foot char. d, the entrainment will then fall below the minimum to perform a safe operation, even if this decrease is partially offset by a decrease in particle sizes, as indicated by lines X, Y "and Z ". But by changing both speed: gas and particle size, as indicated by the X, Y and Z lines, the drive can be reduced to the desired 600 pounds per barrel.
Figure III is based on a coking vessel having about 11 feet in height from the exit zone O. Figure IV illustrates a method which can be used to extrapolate the results of Figure III to a coking vessel having an outlet zone O. output - different. The abscissa in Figure IV gives the output area in feet high, and the ordinate gives a multiplicater which can be used to adjust the curves on the left side of Figure III up and down.
It should be understood that Figures III and IV have been used only to illustrate a method of adjusting and determining the entrainment rate; the invention is therefore not limited to this method. Other methods can be used. It is important, however, that the entrainment in the vapors removed at the top be greater than 400 pounds per feed barrel.
The entrained solids of the present invention are the most beneficial means of preventing coke deposits prior to the cyclone orifice. However, deposition of coke in the cyclone and beyond is also prevented as the heavy entrainment minimizes the temperature drop and therefore prevents condensation of the vapors. The solids also absorb any condensate and polymeric material formed from the vapors. Entrained solids will also provide a cleaning action in the cyclone and, due to some loss of coke through the cyclone, these solids will also clean the lines beyond the cyclone.