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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.