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Le brevet belge n 544.124, déposé le 2-1-1956, a pour objet un procédé de réalisation de réactions chimiques endothermiques, en particulier de réactions de craquage, dans lequel le courant de la matière à traiter est conduit, tangentiellement à la paroi d'une chambre de réaction construi- te en forme de cyclone, à contre-courant le long du courant se propageant centralement, également en un mouvement tourbillonnaire, d'un gaz vecteur de chaleur approprié et est ainsi, pour autant que ce soit nécessaire, vapo- risé et réchauffé et est mélangé avec le gaz vecteur de chaleur au point de rebrôussement ou à proximité de celui-ci;
après quoi la réaction endother- mique se déroule jusqu'à ce que, par suite de la perte de chaleur qui en résulte et de la cession de chaleur pour la vaporisation et le chauffage de la matière à traiter, réchaffée ou non, le mélange réactionnel soit refroi- di et que la réaction soit, de ce fait, arrêtée.
La présente invention a pour objet un perfectionnement de ce pro- cédé dans son application au traitement du pétrole*
Le procédé est caractérisé ence qu'un pétrole brut, qui peut uti- lement avoir subi une épuration préalable, est mis en réaction dans un cy- clone (phase ou étage de réaction) avec de la vapeur d'eau surchauffée à en- viron 800 à 1500 , et de préférence à 1200 , et en ce que le mélange réac- tionnel est conduit ensuite à des stations de distillation et de séparation (étage de distillation), tandis qu'on utilise simultanément son enthalpie en descendant jusqu'à une température d'environ 200 à 250 pour la distil- lation directe de nouvelles quantités de pétrole brut et/ou pour la sur- chauffe indirecte de nouvelles quantités de vapeur d'eau.
Pour cela, on peut éventuellement amener avec le pétrole brut, du gaz de retour ou de ré- cupération provenant d'opérations antérieures du même genre.
Pour obtenir la vapeur d'eau surchauffée aux hautes températures précitées, il est rationnel d'en obtenir au moins une partie par une réac- tion de gaz tonnant d'hydrogène et d'oxygène, en ajoutant éventuellement encore du méthane provenant de l'étage de réaction.
Cette réaction de gaz tonnant est utilement effectuée dans un autre cyclone monté en amont. La température à laquelle on désire que la vapeur d'eau soit surchauffée est réglée par amenée de vapeur d'eau vive dans le cyclone et par réglage du rapport entre la vapeur secondaire amenée et la vapeur d'eau obtenue par la réaction de gaz tonnant. L'hydrogène et oxygène sont introduits au sommet géométrique du cyclone, la vapeur secondai- re additionnelle entre tangentiellement parla base géométrique dans le brû- leur, de sorte qu'elle refroidit la paroi de celui-ci, tandis qu'elle-même se réchauffe.
La vapeur surchauffée ainsi produite, qui, selon les besoins de la réaction- désirée, peut avoir une température de 800 à 1500 , est condui- te à la chambre de réaction montée directement en amont, laquelle a utile- ment aussi la forme d'un cyclone, connen ce La est décrit en détail dans la deman- de de brevet belge n 544.124.
On fait passer la vapeur d'eau surchauffée produite dans le cyclo- ne-brûleur à travers ce cyclone de réaction ou de,craquage oentralement du sommet à la base, tandis que le pétrole, à traiter est amené tangentiel- lement à contre-courant. Eventuellement, on ajoute, avec le pétrole, du gaz de récupération provenant d'opérations antérieures de même nature.
Au lieu de pétrole brut, on peut aussi, en cas de besoin , ali- menter la chambre de réaction en pétrole déjà débarrassé de certains cons- tituants par une prédistillation. Ce traitement préalable du pétrole brut peut être réalisé dans le cadre du présent procédé, comme cela sera décrit plus loin.
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La durée de la réaction et son déroulement peuvent être réglés par variation de la vitesse d'écoulement de la vapeur d'eau surchauffée et par le choix des dimensions du cyclone de cracking.
Du cyclone de réaction ou de craquage sort un mélange de gaz et de vapeurs de¯ fractionnement, de vapeurs de pétrole non transformé et de va- peur d'eau surchauffée à une température d'environ 500 à 9000 ou plus éle- vée.
Le déroulement du procédé décrit jusqu'ici est appelé étage ou pha- se de réaction, parce qu'avec lui s'achève pratiquement la réaction de la matière première, c'est-à-dire son craquage.
Le mélange réactionnel sortant de l'étage de réaction est con- duit directement aux stations de distillation et de séparation (étage de distillation); en même temps son enthalpie est utilisée, en descendant jus- qu'à une température d'environ 200 à 250 , pour la distillation directe d' une nouvelle quantité de pétrole et/ou pour la surchauffé d'une nouvelle quan- tité de vapeur d'eau. Utilement, le mélange réactionnel est refroidi rapi- dement dès sa sortie du cyclone de réaction par injection de pétrole brut frais à un degré tel que la réaction de craquage ne progresse plus.
On tra- vaille par exemple de la manière suivante : dans le premier récipient de l'étage de distillation, pour lequel on choisit de préférence également un cyclone, la, température du mélange composé d'o- léfines gazeuses, de vapeurs d'essences de pétrole, d'huiles moyennes et d'huiles lourdes ainsi que de vapeur d'eau surchauffée, est portée à en- viron 6000.
Le pétrole brut qui, dans cette phase, est injecté dans le courant très chaud de gaz de craquage et de vapeur d'eau est distillé par échange direct de chaleur. Si le récipient de distillation a la forme d'un cyclone et si l'on veille à ce que le pétrole frais se répartisse en couche mince sur la paroi intérieure du cyclone, il en résulte les importants avantages suivants la fraction non distillable du pétrole brut (résidu.asphalte) peut être défournée d'une manière extrêmement simple au sommet géométrique du cyclone, dans un récipient collecteur sans que des changements importants de la section transversale de l'appareil se produisent; la répartition du pétrole en couche mince sur la paroi du cyclone donne lieu à une vaporisation en couche mince qui ménage à l'extrême;
par suite de la présence de gaz de fractionnement et de vapeur d'eau, la distillation s'effectue sous une très faible pression partielle, de sorte que les dépenses pour la production d'un vide, qui seraient néces- saires pour une distillation séparée du pétrole brut, sont supprimées.
Ainsi, par exemple, un pétrole brut lourd qui, dans la distilla- tion sous vide en' alambic ou cornue, donne un résidu de 48% , peut être distillé par le procédé selon l'invention en ne laissant que 20% de résidu.
La quantité de pétrole brut qui est amenée dans cette phase du procédé pour le refroidissement du mélange réactionnel et pour sa propre distillation, doit en tout cas être choisie de manière que la consommation de chaleur pour le chauffage et la vaporisation du pétrole brut soi assez grande pour que la température du mélange réactionnel amené en provenance du cyclone de craquage soit abaissée suffisamment(à environ 200 à 600 ) pour que le résidu qui se forme à partir de pétrole brut injecté reste en- core liquide à la température de distillation et puisse être évacué sous cette forme du cyclone de refroidissement.
Si l'enthalpie du mélange réactionnel quittant le cyclone de cra-
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quage doit être employée exclusivement pour la distillation de pétrole brut injecté, il faut que soit injectée et distillée une quantité de pétrole brut environ quadruple à quintuple de la quantité de distillât nécessaire pour la réaction de craquage proprement dite. Dans le procédé, il est donc tou- jours possible d'obtenir, outre des oléfines gazeuses, de l'essence de pé- trole et de l'huile pour moteurs Diesel comme carburant et d'employer des fractions' à points d'ébullition élevés comme matières premières pour la réaction de cracking.
Le nouveau procédé de craquage du pétrole est donc totalement dif- férent des procédés classiques et spécial en ce sens que, par rapport à l'étage de réacttion, on y fait passer un excès plus élevé de pétrole et que seule la plus petite partie de celui-ci est soumise au cracking dans l'é- tage de réaction, tandis quf'en vue de l'utilisation la plus poussée au point de vue thermique, la majeure partie est uniquement distillée et désas- phaltée.C'est seulement par cet artifice que l'on est parvenu à utiliser avec un rendement particulièrement élevé la haute enthalpie des vapeurs et des gaz sortant de la zone de réaction dans le procédé.
Par ce mode de travail, il est possible de conduire au craquage un pétrole prédistillé et d'obtenir de cettenanière des rendements supérieurs en produits désirés.
Le procédé, abstraction faite du bilan thermique particulièrement favorable, offre l'avantage de produire, en dehors des oléfines gazeuses obtenues de la manière habituelle lors du craquage,des quantités considéra- bles des produits de grande valeur qui sont l'essence de cracking, l'huile pour moteurs Diesel et le gasoil, et il fournit en outre comme résidu-par suite de l'abaissement considérable de la pression partielle du pétrole brut par les quantiés de vapeur et de gaz servant de vecteurs de chaleur- un bitume qui, à cause de son haut;point de ramollissement, a une très grande valeur commerciale.
Comme, pendant cette distillation forcée, il se produit toujours aussi un cracking restreint, le rendement en essence devient plus élevé et on obtient en outre des indices d'octane plus élevés que dans la distil- lation sous vide normale.
Si la production de carburants n'est pas désirée, il convient de n'utiliser l'enthalpie du mélange réactionnel sortant du cyclone de cracking que partiellement pour la distillation de pétrole brut injecté et de la céder, d'ailleurs par échange thermique indirect, à la vapeur d'eau secon- daire à introduire dans le brûleur. et de surchauffer ainsi cette vapeur.
Lorsqu'on emploie des échangeurs de chaleur d'un type courant, par exemple des échangeurs thermiques tubulaires, il en résulte l'inconvé- nient que ceux-ci doivent être nettoyés souvent, car la condensation partiel- le de fractions lourdes du pétrole provoque un encrassement, qui aboutit à des rétrécissements gênants de la section transversale de passage. Il con- vient,pour cette raison, d'employer dans cet étage de distillation une bat- terie de plusieurs cyclones munis de chemises ou enveloppes de chauffage, montés en série.
Il en.résulte un travail exempt de-dérangements, parce que les constituants à hauts points d'ébullition se séparant, par condensa- tion, du mélange formé de gaz de fractionnement, de vapeurs de pétrole et de vapeur d'eau qui s'écoule le long du côté intérieur du cyclone, peuvent être enlevés sans dérangement au sommet géométrique du cyclone et recueil- lis dans des récipients collecteurs. Un autre avantage décisif de l'emploi d'une telle batterie de cyclones consiste en ce que, grâce à la nature par- ticulière des écoulements dans les cyclones, on obtient, en marche réguliè- re, des chiffres de passage de chaleur qui sont de loin plus favorables que
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dans les procédés que l'on connaissait jusqu'à .présent.
La quantité de vapeur d'eau à faire passer par les enveloppes de chauffage des cyclones se détermine, d'une part, d'après la surface.totale des enveloppes des cyclones, et)d'autre part, selon la plus ou moins grande quantité de pétrole brut injecté dans le cyclone de refroidissement et se- lon la chaleur-énlevée par ce pétrole brut au mélange réactionnel.
En toux cas, la quantité'de vapeur d'eau introduite à oontre-aourant pour traverser les enveloppes de chauffage des cyclones de l'étage de distillation et la quantité de pétrole brut injecté dans le cyclone de refroidissementdoiventensenbe être assez grandes pour que dans le cyclone de refroidissement la tempéra- ture du mélange réactionnel entrant soit abaissée avec certitude suffisam- ment pour que la réaction de craquage ne puisse pas se poursuivre, afin qu' aucune réaction secondaire indésirable ne puisse se produire.
Plus on fait passer de vapeur d'eau.à contre-courant par les en- veloppes de chauffage de l'étage de distillation, moins il faut produire de vapeur d'eau par la réaction de gaz tonnant dans le cyolone-brûleur qui précède le cyclone de réaction. Ainsi, on peut par exemple obtenir un bon ré- sultat si on ne tire plus de la réaction moléculaire du gaz tonnant qu'en- viron la huitième partie de la vapeur d'eau surchauffée nécessaire à la réac- tion de craquagedd pétrole, tandis que sept huitièmes de la vapeur d'eau sont couverts par une autre source de vapeur d'eau.
Comme le cracking est effec- tué essentiellement sous pression normale, on peut certes rendre utilisable pour le surohauffage de la vapeur la chaleur spécifique mais non la chaleur de condensation de la vapeur d'eau servant de vecteur de chaleur. Afin de ne pas laisser non plus se perdre la chaleur de condensation, non négligea- ble, de la vapeur d'eau, chaleur qui ne peut être obtenue cependant qu'à un bas niveau des températures, cette quantité de chaleur peut encore être utilisée dans le cycle d'une installation frigorifique à absorption, qui produit le froid nécessaire dans l'installation de séparation des gaz.
Un appareillage ou installation convenant pour l'application du procédé se compose d'au moins une combinaison d'un cyclone-brûleur pour la production de vapeur d'eau surchauffée par réaction moléculaire d'hydrogène et d'oxygène - avec addition éventuelle de gaz méthane provenant de l'étage de réaction tandis qu'ail est prévu en outre une conduite d'amenée pour l'in- troduction de vapeur d'eau provenant d'une autre source - avec un cyclone de réaction ou de craquage qui lui fait suite et un cyclone de refroidisse- ment brusque monté en aval de celui-ci.
A cette installation peut être rat- tachée soit une colonne de fractionnement et un condenseur formant récipient séparateur pour la séparation du gaz de fractionnement et l'évacuation du liquide, ou bien le cyclone de refroidissement est complété, pour former une batterie de distillation, par une série d'autres cyclones, qui sont cha- cun munis d'une enveloppe de chauffage et sont chacun en communication avec un récipient capteur et collecteur.
Dans ce cas,l'enveloppe de chauffage du dernier cyclone de la batterie est raccordée à une conduite pour l'amenée de vapeur d'eau vive, les enveloppes de chauffage de tous les cyclones sont reliées entre elles par des conduites, et, de l'enveloppe de chauffage du premier cyclone, une conduite d'amenée de la vapeur d'eau surchauffée lors de son passage parles enveloppes de chauffage part jusqu'à la base géométri- que du cyclone-brûleur pour la réaction du gaz tonnant. En outre, le cyclone de réaction ou de craquage est muni, à proximité de sa base, d'une condui- te d'amenée pour le pétrole frais et le gaz de récupération, et reçoit en outre une conduite jour le mélange réactionnel, reliant sa base à la base du cylone de refroidissement, dans laquelle débouche à son tour une condui- te d'injection pour le pétrole brut à amener ici.
Il convient d'intercaler dans la conduite décrite pour l'amenée
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de vapeur d'eau du dernier cyclone de l'étage de distillation jusqu'au cyclo- ne-brûleur, un embranchement muni de soupapes à l'aide duquel cette conduite d'amenée de vapeur d'eau puisse être court-circuitée afin d'arrêter le pas- sage de vapeur d'eau par les enveloppes de chauffage de certains ou de la to- talité des cyclones de l'étage de diustillation.
Il va de soi que, dans le cadre des principes exposés, le procédé aussi bien que l'appareillage peuvent être modifiés dans de larges limites selon l'orientation qui doit être donnée au traitement du pétrole.
Les figures 1 et 2 ci-annexées représentent deux formes de réalisa- tion de l'appareillage données à titre d'exemple et mettent en outre en lu- mière le mode de travail du procédé.
La figure 1 représente un schéma d'appareillage dans lequel on attache surtout de l'importance à fractionner une quantité de pétrole brut aussi grande que possible et à utiliser ainsi la chaleur perdue de la réac- tion de craquage proprement dite.
Les parties essentielles de l'appareillage sont le cyclone-brûleur
1 pour la réalisation de la combustion d'hydrogène et d'oxygène pour former de la vapeur d'eau surchauffée, le cyclone de réaction ou de craquage 2, le cyclone de refroidissement 3, la colonne de fractionnement 4, montée en aval de celui-ci, et le condenseur'5, réalisé sous la forme d'un récipient de séparation pour la séparation du gaz de fractionnement et l'évacuation du liquide.
L'hydrogène et l'oxygène entrent séparément dans le cyclone-brû- leur 1 par son sommet géométrique par les conduites 6 et 7, tandis que la vapeur secondaire nécessaire à l'établissement de la température désirée est amenée tangentiellement par la tubulure 8 prévue à proximité de la base gé- ométrique de ce cyclone. La vapeur d'eau surchauffée par la combustion du gaz tonnant sort du cyclone-brûleur à une température de 800 à 1500 et en- tre dans le sommet géométrique du cyclone de craquage,2.
Ici, un mélange de pétrole (par exemple du pétrole frais + du pétrole de retour) et de gaz de retour (consistant en tous les hydrocarbures gazeux séparés du gaz de frac- tionnement qui n'ont pas été transformés en produit final désiré) est ame- né tangentiellement par la tubulure 9 à contre-courant par rapport à la va- peur d'eau précitéeo La réaction endothermique de craquage s'effectue dans l'espace central du cyclone de craquage et le mélange réactionnel de gaz de fractionnement, de vapeurs et de vapeur d'eau surchauffée sort du tube central, à la base géométrique du cyclone, à une température d'environ 500 à 900 et passe dans le cyclone de refroidissement 3, tandis que du pétrole brut est injecté dans le mélange par la conduite et la tubulure 10 en quan- tité telle que sa vaporisation, sous la faible pression partielle due à la haute dilution,
s'effectue en une mince pellicule contre la paroi du cyclone de refroidissement 3. Les vapeurs de pétrole sortent alors, avec de la va- peur d'eau et du gaz de fractionnement, du tube central par la conduite 11 à une température d'environ 200 à 500 et sont introduites en un point convenable dans la colonne de fractionnement 4. Les constituants du pétrole brut non vaporisables dans les conditions de pression et de température choi- sies sont en même temps soutirés au sommet géométrique 3 par la conduite en forme de siphon 16.Selon la proportion de pétrole brut introduite en 10 et la température du mélange qui est établie de ce fait, ce résidu de distil # lation soutiré en 16 peut avoir la consistance d'un mazout ou fuel oil ou bien celle d'un bitume à haut point de ramollissement.
Dans la colonne 4 a lieu la séparation en constituants de distillat légers et lourdso Le produit sortant par le haut à une température d'environ 80 à 200 contient, en marche normale, la totalité des constituants qui se
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forment par ne craquage dans le cyclone de cracking 2, c'est-à-dire les fractions d'essence légères ainsi que la vapeur d'eau, tandis que du pui- sard de la colonne, en 14, on peut soutirer les huiles lourdes.
Les produits évacués par la conduite 12 sont séparés par conden- sation dans le condenseur 5. Celui-ci est conçu de façon que les gaz de fractionnement non condensable soient soutirés par une conduite 17 et peu- vent être conduits à une installation de séparation des gaz. Les produits liquides précipités dans le condenseur 5 sont soutirés au moyen de la pom- pe 19. Une partie est employée, en passant par la conduite 13, pour le-la- vage de la colonne 4, tandis qu'une autre partie est conduite par la conduite
18 à un récipient de séparation du type courant, dans lequel se fait la séparation en eau et en hydrocarbures liquides.
Dans la colonne représentée, on prévoit seulement la séparation en deux composants. Toutefois, on peut évidemment réaliser la colonne, en créant des possibilités d'enlèvement de courants latéraux, de telle façon que une séparation multiple puisse être opérée.
Eventuellement, le puisard de la colonne peut être chauffé avec de la vapeur directe passant par la conduite 15.
La figure 2 représente un schéma d'appareillage qui est employé lorsque une distillation du pétrole brut au-delà de la mesure qui est né- cessaire lorsque le distillat doit servir de matière de départ pour le cra- quage, n'est pas désirable, c'est-à-dire donc lorsque l'installation doit servir avant tout à la production d'oléfines gazeuses. Dans ce cas, il est nécessaire que la chaleur perdue du craquage proprement dit soit rendue utilisable à la continuation de ce même craquage.
Ceci se fait de la maniè- re la plus rationnelle comme suit : on chauffe préalablement et surchauffe autant que possible la vapeur d'eau secondaire amenée du dehors de l'appareil- lage et, par voie de conséquence, on réduit la quantité de gaz tonnant à employer pour la surchauffe de cette vapeur secondaire, c'est-à-dire qu'on peut diminuer la quantité d'hydrogène et d'oxygène élémentairesà employer.
Les parties principales de l'appareillage sont le cyclone-brûleur 1 pour la réaction du gaz tonnant, le cyclone de réaction ou de craquage 2, le cyclone de refroidissement 3 et les cyclones de distillation 4, 5, 6 qui se rattachent à celui-ci et qui sont tous équipés d'enveloppes ou chemises de chauffage reliées entre elles par des conduites.Avec les cyclones 3, 4, 5, 6 sont conjugués des récipients capteurs et collecteurs 7, 8,9, 10, qui, par des conduites 17, 19, 21, 23, sont en communication avec les sommets gé- ométriques, dirigés vers le bas, des cyclones précités. La conduite d'amenée pour la vapeur d'eau vive est formée par la soupape 37 et les conduites 28, 29, 31, 33, 35,36 ainsi que par les enveloppes de chauffage des cyclones 3, 4, 5, 6 intercalées entre ces conduites.
Cette conduite d'amenée de la va- peur vive peut, à l'aide des soupapes 24, 25, 26, 27 et des tronçons de con- duite intercalées entre ces soupapes, être court-circuitée de manière qu'une ou plusieurs des enveloppes de chauffage des cyclones soient mises hors cir- cuit et que la vapeur vive puisse être directement amenée tangentiellement à la base du cyclone-brûleur 1 par la conduite 13.
Il va de soi que l'appareillage n'est pas limité- à l'emploi de quatre cyclones à l'étage de distillation.
L'hydrogène et l'oxygène sont amenés séparément au cyclone-brûleur 1 respectivement par les conduites 11 et 12. Le pétrole frais et le pétrole de retour sont amenés au cyclone de cracking 2 par la conduite 14@ tandis que le'pétrole brut destiné-, au refroidissement du mélange réactionnel est injecté par-la conduite 15 dans la conduite reliant le cyclone de ' oracking 2 .¯ et le cyclone de refroi-
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pissement 3. Les cyclones 39 4e 9 sont relies chacun au cyclone suivant par la tubulure centrale et par des conduites assignées respectivement par
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169 18 ' et 20. Les gaz sortant du cyclone 6 sont évacués par la tubulure cen- trale et la conduite 22.
On règle la marche de l'Installation par exemple de manière que du cyclone 3 à la conduite de sortie du cyclone 6 la température tombe d'en- viron 6000 à environ 250 ; en obtient ainsi, dans les récipients collecteurs 7, 8, 9, 10; diverses fractions, par exemple de l'essence, de l'huile pour moteurs Diesel, de -L'huile de graissage.
Selon le régime ou conduite thermique désirée, il est également possible de faire marcher le dernier cyclone de la 'batterie comme évapora- leur; en y introduisant de l'eau au lieu de vapeur d'eau.
Les figures 1 et 2 représentent en quelque sorte les deux cas li- mites du procédé selon l'invention,. Entre ceux-ci, il existe un grand nombre de combinaisons et de variantes qui permettent de répondre à tous les besoins divers se présentant dans la pratique. Ainsi, par exemple, on peut aussi amener les gaz de craquage chauds à céder d'abord leur chaleur spécifique à la vapeur secondaire et ne décomposer qu'ensuite le pétrole 'brut en dis- tillât et résidu à un niveau de température inférieur, et conduire la quan# tité nécessaire de distillât, dans des conditions telles qu'il soi-c ménagé, au cyclone de craquage.
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REVLiNDICATIONS 1Procédé de traitement de pétrole brut du type décrit daas le
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brevet belge n 544 124, déposé le 2'11569 caractérisé en ce que du pétro- le frais, ayant de préférence subi une épuration préliminaire, éventuelle-
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ment mélange avec au gaz de retour provenant df opérations antérieures, est mis en réaction dans un cyclone avec de la vapeur d'eau surchauffée à une température d'environ 800 à 1500''', de prelérenoe de 1200 (étage de reac vion) et en ce que le mélange réactionnel est conduit aux stations de dis-- filiation et.
de séparation (étage de distillation), tandis que, sirn!r1are- men1..j, on utilise son enthalpie en descendant jusqu'à une température d.'eu- viron 2üOO à 2500 pour la distillation directe de nouvelles quantités de pétrole et/ou pour le surc.hauf1'age de nouvelles quantités de vapeur d eau.