CA1187033A - Procede de recuperation d'une fraction hydrocarbonee en c.sub.3-c.sub.7 a partir d'un melange liquide de ladite fraction avec une huile desasphaltee - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de récupération d'une fraction hydrocarbonée en C3 - C7 à partir d'un mélange liquide de ladite fraction avec une huile désasphaltée, caractérisé en ce qu'on fait circuler ledit mélange liquide dans au moins trois étages d'évaporation en série comportant chacun une paroi sensiblement verticale, sur une première face de laquelle on fait ruisseler ledit mélange liquide en film tombant, ladite première face comportant des cavités d'un diamètre moyen compris entre 50 .mu.m et 2 mm, afin d'évaporer progressivement ladite fraction hydrocarbonée, chaque étage opérant à une température et une pression décroissantes d'étage en étage, la seconde face de la paroi du premier étage étant chauffée par un fluide caloporteur d'origine externe, on récupère des vapeurs de la fraction hydrocarbonée formées dans au moins un étage d'évaporation y compris le premier et on fait circuler lesdites vapeurs au contact de la seconde face de la paroi verticale de l'étage suivant, de manière à condenser lesdites vapeurs et à transmettre leur chaleur de condensation au mélange liquide circulant le long de la première face de la paroi dudit étage suivant, on maintient à chaque étage une différence de température de 2 à 30.degree.C entre lesdites vapeurs se condensant et ledit mélange liquide s'évaporant, et on récupère une huile désasphaltée ne contenant pratiquement plus de fraction hydrocarbonée en C3 - C7. Le procédé selon l'invention permet de réaliser une ébullition nucléée et ainsi d'obtenir une évaporation à multiple effet.

Description

~ 7~33 La présente invention vise à ameliorer les conditions de recuperation de certains composes organiques volatils , par e~emples les fractions hydrocarbonées en C3 - C7. Cette opération intervie~t souvent dans les operations chimiques ou physicochi-miques o~ sont mis en oeuvre des composes organiques a haut poids moleculaire, notamment des hydrocarbures lourds, et qui, de ce fait, presentent des temperatures normales d'ebulition et/ou des viscosites élevees. Ces composes lourds sont en effet souvent mélanges avec des solvants beaucoup plus volatils. Parmi les raisons pour lesquelles on pratique cPs melanges, on peut citer:
- La diminution de la viscosite et l'augmentation de la capacité thermique du produit lourd, ~acilitant ainsi le con-tr~le thermique d'une réaction chimique rapide; c;est le cas, par exemple, des réactions de sulfonation ou de chloration des charges lourdes d'hydrocarbures.
- La diminution de la viscosité dans les operations de séparation par filtration ou ultrafiltration.
- Une action physicochimi~ue spécifique telle que la precipitation des asphaltenes dans un procede de desasphaltage d'hydrocarbures lourds ~residus atmospheriques ou sous vide, voire bruts petroliers) a l'aide d'hydrocarbures légers (alipha-tiques ou oléfiniques en C3, C4, C5, C6, C7) ou le deparaffinage d'huile grâce à l'action combinee du froid et de solvants selec-~ifs (par exemple : methyl-ethyl cetone, methylisobutyl cetone en melange ou non avec des hydrocarbures aromatiques en C6 ou C7).
Dans toutes ces operations les rapports entre les volumes de solvants et les volumes de charges lourdes sont asse~
éleves et le plus frequemment compris entre 1 et 5.
A la fin des traitemen~s chimiques ou physicochimiques, il faut donc invariablement proceder à la recuperation de ces solvants.

Vu les differences importantes des volatilites respec-tives, cette recuperation s'effectue le plus souvent par eva-poration du solvant leger, mais les quantités importantes de solvant mises en oeuvre rendent fort souhaitable d'améliorer les techniques existantes afin de diminuer les depenses en energie que nécessitent de telles evaporations.
D7une maniere génerale, cette evaporation s'effectue en un ou plusieurs etages ~ des pressions variables apr~s rechauffage du melange dans des echangeurs classiques.
Des evaporateurs comportant plusieurs étages opérant à des niveaux distinctsde temperature et de pression sont dejà
connus; voir, par exemple, brevet allemand n 871.742, bxevets rancais no~ 1.178.135, 1.404.264 et 10431.037. On a aussi propose de modifier les surfaces de contact des echangeurs de chaleur en y déposant une couche de matériau poreux (brevet des Etats-Unis n 3.384.154).
Le brevet des Etats-Unis n 4.214.975 utilise lui aussi le principe des installations a multiples effets. D'après ce principe on opère par des etapes successives d'evaporation.
Entre chaque etape le liquide est pompe pour atteindre une pres-sion plus forte de sorte que sa temperature d'ebullition aug-mente entre chaque etape, de 20 a 70C. La vapeur ainsi produite ~ plus haute pression et temperature, peut ainsi ceder sa chaleur de condensation dans un echangeur traverse par le liquide ~ plus basse pression et situe donc en amont dans le système d'evaporation.
Ainsi peut-on espérer reutiliser en etapes (ou effets) successives une quantite de chaleur qui a ete introduite dans le système à la temperature et la pression la plus élevee. Le meme type de montage a d'ailleurs ete utilise depuis fort longtemps dans la production d'eau distillee ou dans la concen-tration par evaporation de solutions aqueuses. Il faut signaler toutefois que cette procedure realisée avec un appareillage classique, echangeur ~ appareil d'evaporation Ipar exemple :
un ballon de ~flash~, nécessite des différences de tempéra-tures importantes. Il en resulte un xapport des pressions entre etages relativement important (environ 7/1). La multi-plication de ces contraintes sur les différences de tempéra~
ture et de pression limite le nombre d'effets pratiquement realisables à ~rois. D'autre part, la valeur croissante des pressions dans le sens de la circulation globale du liquide necessite la mise en oeuvre de pompes operant parfois a haute temperature.
En modifiant radicalement le type précite d'appareil d'évaporation il a ete decouvert que ce principe de multiples effets peut etre realisé dans des conditions particulièrement economiques, même avec des solutions non aqueuses r~putees pour operer à de faibles coefficients de transfert de chaleur.
En effet, les differences de températures importantes auxguel-les il faut faire appel pour réaliser les transferts dans des conditions economiques, sont la conse~uence des faibles coef-ficients du film que l'on realise dans les evaporateurs clas-siques operant avec des liquides apolaires ou peu polaires, en particulier des huiles lourdes hydrocarbonees.
En règle generale, on obtient avec ces evaporateurs classiques, des coefficients de transfert globaux, de l'ordre de 250 ~ 800 watts/(m2.C) et ceci dans la mesure o~ les differences de temperature restent dans les limites signalees plus haut.
Selon la presente invention, on realise maintenant les evaporateurs ~ multipleseffetsdans des appareils à film tombant, sans agitation mecanique mais dans lesquels la surface d'evaporation a ete traitee pour realiser une ebullition nucleee. Ce traitement consiste en un traitement mecanique de la surface afin d'assurer la nucleation.

't, '?~, ~

33~
La présente invention conccrne donc un procédé
de recupération d'une fraction hydrocarbonée en C3 - C7 a partir d'un melange liquide de ladite fraction avec une huile desasphaltee, caracterise en ce qu'on fait circuler ledit melange li~uide dans au moins trois étages d'évaporation en serie comportant chacun une paroi sensiblement verticale, sur une premiere face de laquelle on fait ruisseler ledit mélange liguide en film tomban~, ladite premi~re face comportant des cavites d'un diam~tre moyen compris entre 50 ~m et 2 mmf afin d'evaporer progressivement ladite fraction hydrocarbonee, chaque etage operant à une temperature et une pression decrois-santesd'etage en etage, la seconde face de la paroi du premier etage etant chauffee par un fluide caloporteur d'origine externe, on recupere des vapeurs de la fraction hydrocarbonee formees dans au moins un etage d'evaporation y compris le premier et on fait circuler lesdites vapeurs au contact de la seconde face de la paroi verticale de l'etage suivant, de mani~re a condenser lesdites vapeurs et ~ transmettre leur chaleur de condensation au melange liquide circulant le long de la premiare face de la paroi dudit etage suivant, on main-tient a chaque etage une difference de temperature de 2 a 30C
entre lesdites vapeurs se condensant et ledit melange liquide s'evaporant, et on recup~re une huile desasphaltee ne con-tenant pratiquement plus de fraction hydrocarbonee en C3 ~

c7.
Les traitements mécaniques de la surface d'évaporation condui-sent a un état de surface relativement ru~leux avec des cratèEes dont la dimension m~yenne ne doit pas ~Ee.inférieur à 50~m et pas sup~rieure a~mm, et est de préference comprise entre lOO~m et 500~m. Ceci peut être realise, par exemple, par projection de fines particules d'un materiau relativement dur sur la surface ~ nucleer, par exemple, au moyen d'un couxant d'air entralnant à grande vitesse des particules de sable QU de carbure de silicium. Les cavites 7~

ainsi créees ont habituellement une profondeur représentant 20 a 60% de leur diamètre moyen.
Dans ces conditions on a mesuré des coefficients de transfert de chaleur globaux aussi elevés que 2000 a 3000 watts/
(m ~C), et ceci pour des diférences de temperature entre les fluides circulant de par~ et d'autre de la paroi de 2 à 30C, de preference 5 a 10C. Il devient, par consequent, possible de réaliser le schema de récupération qui fait l'objet de la presente invention.
La presente invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui va suivre d'un mode de realisation prefere de l'invention, faite avec reférence aux dessins suivants:
La Figure 1 est une vue schématique de l'appareillage necessaire pour effectuer la forme preferëe de l'invention.
La Figure 2 est une vue schematique, donnée ~ titre de comparaison, de l'appareillage nécessaire pour realiser une autre forme de recupération d'huile desasphaltee.
Dans le schéma type, on introduit le melange compose du solvant léger et du produit lourd en tête du premier evapo-rateur echangeur El (fig. 1) à film tombant~ Le melange descend le long de la paroi de cet echangeur (qui peut avoir la forme d'une plaque, d'un tube ou toute autre forme geometrique adaptee comme, par exemple, un faisceau de tubes assembles ; dans une calandre) où il reçoit de la chaleur d'un fluide calo-porteur circulant de l'autre côte de cette paroi. Le plus souvent, ce fluide caloporteur sera une vapeur condensanteO
Ce fluide caloporteuresta une temperature de 2 à 30C
~de preference 5 a 10) superieure a la temperature _ ,~ _ .J~.

d'ébullition du mélange a évaporer ~ la pression regnant dans l'evaporateur. Le melange descendant c8te evaporation se trou-vera dans ce schéma type 3 la pression Pl la plus forte de l'installation. En regime d'ebullition nucléée, ce melange va donc produire de la vapeur a cette pression Pl, et ceci ~
l'aide d'une différence de température modeste avec le fluide caloport~ur. Le melange liquide récupere en bas de l'evapora-teur El est alors detendu par une vanne de regulation Vl pour que ce liquide atteigne une temperature d'ebullition entre 2 et 30C (de preférence 5 et 10C) plus faible que la tempéra-ture règnant dans l'echangeur El. Ainsi pourra-t-on utiliser la vapeur produite en El comme fluide caloporteur dans un echangeur evaporateur a film tombant E2 d'un type identique à celui de El. Dans ce deuxieme echangeur l'evaporation récu-peration du solvant leger se poursuit ~ une pression P2 et une temperature T2 plus faibles que celles regnant en El~ Cette procedure peut être reproduite plusieurs fois pour autant que les niveaux de pression et de temperature restent compatibles avec une exploitation economique de l'installation. Le nombre d'etages que llon met en oeuvre peut donc être défini d'après une optimisation économique. Il faut noter que ce schema ne necessite aucun appareil mecanique pour faire passer le fluide à evaporer et la vapeur produite d'un etage au suivant : c'est la pression initiale qui fournit la force motrice necessaire.
Ce schema est particulièrement economique en energie de chauf-fage et est donc prefere.
Dans le second schema donne a titre de comparaison et illustre par l'exemple 2 et la Figure 2, le melange dont il faut recuperer le solvant par evaporation, est introduit dans le premier évaporateur El au niveau de pression le plus bas de 1'installation (Fig.2). A cette pression Pl, correspond comme dans le schéma precedent, une temperature d'ebullition T

4b _.

3.~

telle qu'elle se trouve de 2 à 30~C ;de préference de 5 ~ 10C) plus basse que la température T2 ~ laquelle la vapeur de solvant a ete produite dans un etage précédent E2, ~ une pression P~ superieurP à Pl. Cette fois, le liquide partiel-lement débarrassé de son solvant, est envoyé vers la tete de l'échangeur évapora~eur E2 ~ l'aide d'une pompe; la différence de pression entre El (Pl~ et E~ (P2) est choisie de telle maniere que la température en E2 soit de 2 à 30C (de préfe-rence de 5 ~ 10C) supérieure à celle r~gnant en El de sort que la vapeur produite en E2 puisse servir de fluide calo-porteur chauffant en El~ Cette procedure est répetée comme dans le s~héma precedent, jusqu'~ ce que l'on atteigne une tempe-rature maximale dans l'echangeur évaporateur En (E3 dans le cas de la Figure 2) o~ a lieu l'introduction de chaleur dans le systeme ~ l'aide d'un fluide caloporteur ~très souvent de la vapeur d'eau). Comme dans 1P cas précédent, le nombre d'etages et les niveaux initiaux et finaux des températures et pressions résulteront avantageusement d'une optimisation économique.
Dans les deux schemas, les vapeurs condenses sont collectées et renvoyées vers un meme stockage du solvant afin dlêtre réutilisees si necessaire. Les dernières traces de sol-vant peuvent etre eliminées du produit lourd dans un équipement annexe. La vapeur sortant de l'étage n dans le schéma 1 (de l'etage 1 dans le schema 2~ est bien entendu condensee dans un echangeur avant son envoi au stockage.
Les deux schemas présentes ici sont illustrés par deux exemples qui ont trait a une récuperation de pentane à
partir d'un mélange pentane-huile lourde en provenance d'une unite de desasphaltage.

~7033 ler EXEI~IPLE (figure 1) On introduit dans un appareil à film tombant un melange composé de pentane et d'un gasoil sous vide desasphalte à un débit total de 250Q kg/h. La composition est de 4 kg de pentane pour 1 kg de gasoil. Cet appareil est compose de trois tubes (P1, P-2, P3), de 5 cm de diamètre chacun et de 6 m de long. Ces tubes ont ete trai-tes par grenaillage de telle sorte que leur surface se presente comme une succes-sion de cratères dont le diamètre moyen est compris entreo,Z - 0,5 mm de diamètre.
Par un distributeur approprie, place en tête de chaque tube, les debits de liquide sont à peu près uniformement repartis sur la face interne des tubes. L'introduction se fait par la ligne 1 et on reçoit le liquide à cet endroit à 30 atmosphères et190C. Dans l'echangeur E1, on realise l'evaporation de 400 kg/h de pentane. La chaleur necessaire est fournie par de la vapeur d'eau introduite dans la calandre de l'echangeur E1 par la ligne 10. Cette vapeur d'eau se trouve à une temperature de 195C environ. 35 kg/h de vapeur d'eau sont condensés dans cette calandre et evacues par la ligne 11. L'effluent de l'echangeur E1 est compose par un débit de 2100 kg/h de melange liquide et 400 kg/h de vapeur de pentane qui sont separes ai-sement en bas de l'echangeur. Le liquide evacue par la ligne 3 est detendu par la vanne V1 jusqu'à 2,5 MPa. Ceci provoque une evaporation partielle du pentane et une baisse de la temperature jusquià 180C. Ce melange est injecté dans l'evaporateur E2 identique à l'évaporateur E1. La vapeur de pentane sortant de l'evaporateur E1 par la ligne 2 est introduite, sans détente, dans la calandre de l'évaporateur E2 où, grâce à la température plus basse, sa condensation se réalise. Cette vapeur condensee est eliminee par la conduite 8. Grace à la detente et au transfert de chaleur en provenance de la vapeur de pentane condensee dans la calandre de l'ap-pareil E2, on provoque l'evaporation de 725 kg/h de pentane qui sont separes en bas de l'echangeur E2 des 1375 kg/h de liquide non evapores. Le melange liquide est évacue par la conduite 6 et, comme à la sortie de l'echangeur-E1, detendu dans la vanne V2 jusqu'à 1,75 MPa, ce qui provoque une nouvelle evaporation avec baisse de tempera~ure jusqu'à 170C. Les 725 kg/h de pentane vapeur sont introduits sans de-tente dans la calandre de l'evaporateur E3 par la conduite 7 et evacues par la con-duite 5. A nouveau, on realise la condensation du pentane vapeur grâce à une diffe-rence de temperature de 10C. Cet appareil E3 est identique aux deux precedents E1 et E2. Les conditions indiquees ci-dessus pour l'appareil E3 permettent une nouvelle evaporation de 815 kg/h de pentane qui sont evacues par la conduite 4.

Le liquide compose de 500 kg/h d'huile et de 60 kg/h de pentane est evacue par la ligne 9 vers une section de traitement final où l'on finit l'evaporation des dernières traces de pentane, par exemple, par un strippage à la vapeur d'eau. Laseule consommation de vapeur a ete de 35 kg/h. Dans une installation classiqlIe, la ~7~3~

consommation de vapeur aurait ~te proche de 150 kg/h.

2~me EXE~IPI,E (exemple de comparaison, Figure 2) Un melange composé de pentane et de gasoil sous vide desasphalte est introduit dans un appareil ~ film tom-bant ~ un debit total de 2500 kg/h. La composition est de 4 kg de pentane pour 1 kg de gasoil. Cet appareil est compose de trois tubes de 5 cm de diametre chacun et de 6 m de long.
Ces tubes ont été traites par grenaillage de telle sorte que leur surface se presente comme une succession de cratères dont le diamètre moyen est compris entre 0,2 et 0,5 mm.
Par un distributeur approprie, les debits ~e liquide sont a peu pres uniformement repartis sur les parois internes des trois tubes. L'introduction se fait par la ligne 21 à
une temperature de 150C et 1,9 MPa de pression. Par l'intro-duction de 550 kg/h de vapeur de pentane à 160C dans la calandre de l'echangeur El, on provoque l'evaporation de 200 kg/h de pentane et le rechaufage de l'ensemble gaz ~
liquide à 160C. Cette vapeur de pentane, introduite dans la calandre de l'appareil El par la conduite 25 provient d'une evaporation ayant lieu dans l'evaporateur E2 dont on parlera plus loin. Cette ~-apeur de pentane condensee dans la calandre de l'appareil El, est evacuee par la conduite 24.
La vapeur de pentane (200 kg/h) produite dans l'echangeur El, est separee de la phase liquide et évacuee pour condensation ou recyclage direct ailleurs dans l'ins-tallation, par la ligne 22. Les 2300 kg/h de melange liquide sont alors envoyes par la conduite 23 dans l'appareil à film tombant E2 identique au précédent. L'appareil E2 fonctionne a 2,2 MPa et 170C, de sorte ~u'une pompe Pl est necessaire pour amener le liquide de la pression de El (1,9 MPa) à la pression de E2 (2,2 MPa). Le liquide est alors rechaue et ~.1 ~ll37~3~

partiellement evapore dans l'appareil E2 grâce a 1200 kg/h de vapeur de pentane produits dans l'echangeur E3 dont on parlera plus loin. Le pentane condense est evacue par la ligne 27.
Cette evaporation produit 550 kg/h de vapeur de pentane qui, apr~s séparation en bas de l'appareil E2 est envoyee par la ligne 25 vers la calandre de l'appareil El. Le melange liquide xestant en bas de 11 echangeur E2 est evacué par la ligne 26 et pompe P2 jusqu'~ la pression d'introduction dans l'évaporateur E3. Le débit passant par la pompe P2 est de 1750 kg/h. L'evaporateur E3 est identique aux appareils El et E2. Il opere a 2,4 MPa de pression et ~ une température de 180C. Les 1750 kg~h de liquide arrivant en tête de cet echangeur sont rechauffes et evapores grâce a un echange avec 120 kg/h ` ` 11~7~:~3 de vapeur d'eau envoyes dans la calandre de l'appareil E3 par la ligne 30. Ceci provoque l'evaporation de 1200 kg/h de per,tane qui sont envo~es dans la calandre de l'appareil E2 par la ligne 28. Par la ligne 29, on evacue le melange liquide non evapore et compose de 50 kg/h de pentane et 500 kg de gasoil, et par la ligne 28 on evacue le pentane condense. Ce melange peut être soumis â un traitement fi-nal pour recuperer des traces de pentane, par exemple, en realisant un strippageà la vapeur d'eau. La consommation de vapeur a ete de 120 kg/h. Dans une instal-lation classique, on aurait eu besoin de 320 à 340 kg/h de vapeur d'eau. La ~lapeur d'eau condensee est évacuee par la conduite 31.

Claims (7)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué
sont définies comme il suit :

1. Procédé de récupération d'une fraction hydrocarbonée en C3 - C7 à partir d'un mélange liquide de ladite fraction avec une huile désasphaltée, caractérisé en ce qu'on fait circuler ledit mélange liquide dans au moins trois étages d'évapora-tion en série comportant chacun une paroi sensiblement ver-ticale, sur une première face de laquelle on fait ruisseler ledit mélange liquide en film tombant, ladite première face comportant des cavités d'un diamètre moyen compris entre 50 µm et 2 mm, afin d'évaporer progressivement ladite frac-tion hydrocarbonée, chaque étage opérant à une température et une pression décroissante d'étage en étage, la seconde face de la paroi du premier étage étant chauffée par un fluide caloporteur d'origine externe, on récupère des va-peurs de la fraction hydrocarbonée formées dans au moins un étage d'évaporation y compris le premier et on fait cir-culer lesdites vapeurs au contact de la seconde face de la paroi verticale de l'étage suivant, de manière à condenser lesdites vapeurs et à transmettre leur chaleur de condensa-tion au mélange liquide circulant le long de la première face de la paroi dudit étage suivant, on maintient à cha-que étage une différence de température de 2 à 30°C entre lesdites vapeurs se condensant et ledit mélange liquide s'évaporant, et on récupère une huile désasphaltée ne con-tenant pratiquement plus de fraction hydrocarbonée en C3-C7.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans au moins un étage, la vapeur formée à cet étage et le mélange liquide progressent à co-courant descendant sur la première face de la paroi de cet étage.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans au moins un étage, la vapeur formée à cet étage remonte à contre-courant du mélange liquide dont elle est issue sur la première face de la paroi de cet étage.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cavités ont un diamètre moyen de 100 µm à 500 µm.

5. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé
en ce que les cavités résultent de l'action de particules d'un matériau dur projetées sur ladite paroi.

6. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la différence de température est maintenue entre 5 et 10°C.

7. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 4, caractérisé
en ce que les cavités ont une profondeur égale à environ 20 à 60% de leur diamètre moyen.