CA1292954C - Procede de separation de fines particules de catalyseur, d'une charge hydrocarbonee par filtration au travers de barrieres minerales et boucle de filtration - Google Patents

Abstract

A B R E G E L'invention concerne un procédé de séparation de fines particules de catalyseur, d'une charge hydrocarbonée, issue d'une unité de craquage catalytique par filtration au travers de barrières minérales et boucle de filtration. Ce procédé consiste à filtrer ladite charge au travers de barrières minérales résistantes à la chaleur et d'une porosité adaptée au diamètre minimal des particules à retenir, porosité généralement comprise entre 0,1 et 100 .mu.m.

Description

LZt3~S4 L'invention concerne les techniques de separation. Elle a trait plus spécifiquement à un procédé de séparation de fines particules de catalyseur, d'une charge hydrocarbonée issue d'une unité de craqua~e cataslytique, ainsi qu'a une boucle de filtration, pour la mise en oeuvre d'un tel procédé.

Par charge hydrocarbonée, on comprend dans la suite du présent mémoire, une charge composee principalement d'hydrocarbures, pouvant contenir outre des atomes de carbonne et d'hydrogène, d'autres atomes tels que l'oxygène, le soufre, etc. De telles charyes peuvent être constituées notamment, mais non exclusivement, par des pétroles bruts ou des produits obtenus par raffinage du pétrole brut, ou des produits obtenus par raffinage du pétrole brut, comme par exemple le résidu dit slurry obtenu aprés craquage catalytique ainsi qu'il sera décrit ci~après, sans que ce choix puisse constituer une quelconque limitation à la présente invention.

Le craquage catalytique est un procédé largement connu qui consiste à casser les molécules contenues dans une charge hydrocarbonée sous l'action de la chaleur, en présence de catalyseurs, typiquement en lit fluidisé. Pour cette raison, le catalyseur est constitué de fines particules, dont la taille mcyenne est d'envi-on 70 mlc~ons et dont une partie (les plus petites) se trouve entra~née avec les produits de la réaction, et se concentre dans le résidu qui est soutiré
au fond de la colonne de fractionnement.

Ce résidu est utilisé comme produit fluxant (base à faible viscosité) dans la fabrication des fiouls industriels.

La présence de fines particules de catalyseur, de taille généralement comprise entre O et 50 microns, et qui ne peuvent être éliminées par des moyens classiques ..~

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~ 2 -de f`iltration, a pour e~fe-t de renclre :Le produit impropre à certains usages (f:ioul marine p~r e~emple) depro~oquerdes encrassements sévères de chaudières et des fours indus-triels par combinaison a~ec certains métaux lourds, tels que le vanadium contenus dans d'autres composants du fioul tels que les bases visqueuses du type résidu SOllS vide.
Le phénomène tend à s~aggraver du fait que la capa-cité de craquage catalytique augmente, et a~ec elle la -10 production de slurry,alors que par ailleurs, la production de bases visqueuses diminue et que la concentration en métaux lourds de ces bases augmente.
Séparer les fines de catalyseur du résidu de craquage, devient donc une nécessité et divers procédés de sépara tion ont ainsi été testés puis proposés aux diverses raffineri0s .
Parmi les divers procédésde l'art antérieur, il convient de citer le procédé de sépar~ti.on par hydrocyclo- ;.
ne et p~r él~ctrophorèse7 dit é~alemen~ proce~ ~UL~TRONIC.
. 20 ~lais ces procédés de par leur princ.Lpe ne permettent de retirer qu~une partie des fines contenues dans le slurry, et leur cout augmente très rapidement dès que l'on recherche une efficacité éle~ée. De plus, l'évacua-: tion des fines ainsi séparées nécessite un fluide exté-rieur, généralement la charge du craqueur elle-meme, ce qui conduit à recycler les finés de catalyseur, au réac-teur, et ainsi à alimenter le phénomène, sauf à rejeter cet effluent et subir une perte notable de valorisation du brut.
La Demanderesse a donc cherché à obtenir un proc~dé
: de séparation plus efficace, capable d'éliminer totale-; ment les particules don-t le diamètre était supérieur à un diamètre minimal dit de coupure, en les concentrant dans le slurry lui--même, ce qui permet de les évacuer hors du système, à moindre cout.
Pour cela, le procédé de séparation tel que décrit au préambule e.st remarquable en ce que l'on filtre la :~LZ~Z~5~

charge hydrocarbonée au travers de barrières minérales de porosité adaptée au diamètre minimal des particules à
retenir, généralement compri.se entre 0,1 et 100 ~m.

Ces barrières actuellement disponibles sur le marché, se présentent sous la forme d'un tube cylindrique de diamètre intérieur variable, compris généralement entre 1 et 15 mm, d'une matière minérale, telle que de l'alumine ou du carbone, revêtue intérieurement d'une ~ou plusieurs) couche(s) d'o~ydes métalliques, et sont plus précisément décrites dans le brevet U.S. 4,411,790 au nom du COMMISSARIAT A L'ENERGIE
ATOMIQUE et de la COMPAGNIE FRANCAISE DE RAFFINAGE, dans leur application notamment à la régénération de l'huile usée.

De telles barrières sont commercialisées en ~rance par la Société Française d'Eléments Catalytiques (dite SFEC) sous des références commerciales diverses, eu égard aux matières actives entrant dans la composition des couches intérieures ou de la couche support, et avec des caractéristiques physiques précises relatives à leur porosité, leur tenu méchanique, etc...

Les diverses utilisations non évidentes qui en sont faites peuvent conduire a des demandes de brevet diverses, ainsi en -est-il de la demande suscitée et de la p.~santa dmande, compte-tenu du fait que la filtration de milieu aussi hétérogène qu'une charge pétrolière est très difficile, voire souvent irréalisable par des moyens conventionnels.

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2~S~a Selon une réalisation de la présente invention, une boucle de filtration comporte en outre des moyens de mesure et de contrôle des débits, éventuell.ement des moyens de mesure et de contrale de la vitesse de circulation du concentrat à
l'intérieur de la boucle, et accessoirement des moyens de mesure de la tempèrature du concentrat à l'intérieur de la boucle.

Selon une variante de réalisation, cette boucla est remarquable en ce qu'en outre le dëbit du filtrat - 3a -, , , ~. ~ :,, , . ~ : , . .

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12~295 est contrôl~ par une simple vanne, alors que le débit du concentrat est aJusté à une valeur de consigne déterminée, au moyen d~une vanne-proportionneuse.
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnésà titre non limitatif, permettra de mieux comprendre comment l~invention se réalise, et ainsi de mieux en apprécier sa portée. Sur les dessins:
La figure 1 représente en coupe un module de filtra-tion; et ~a figure 2 représente schématiquement le procédé
de filtration, appliqué a la sépara-tion des fines de catalyseur du résiclu de cr~quage cata:Lytiqllc (slurry).
On a représenté ~ la figure 1, un moclule de Micro-filtration 1, constitué de plusieurs barrières minérales 2a, 2b, ..., montées en parallèles dans une calandre 3.
Un cone de raccordement 4 relie la calandre 3 à la tuyau-terie de circulation 5, par un assemblage vis-écrou.
Le concentrat circulant dans la boucle, pénètre dans le module par la tuyauterie 5, circule à l~intérieur des barrières 2, puis ressort ensuite par une tuyauterie, non représentée ici comme ne faisant pas à propremcnt parler partie de l~invention. Le filtrat est la fraction de la charge qui passe au travers des barrières 2, de l'intérieur ver~ l'extérieur, du fait de la différence de pression qui règne entre ces deux zones qui peut atteindre et même dépasser une dizaine de bars. Pour assurer l~étan-chéité entre,d'une part, la zone de haute pression ~- constituée par la tuyauterie 5 et l'intérieur des bar-rières 9 et, d'autre part, la zone de basse pression cons-tituée par l'intérieur des barrieres, il est necessaire de prévoir d~s moyens d'étanchéité, sous la forme de joints toriques ou cylindriques7,par exemple en viton ou graphite, selon la température du concentrat qui ~; ~ circule dans la boucle.
On a représenté à la figure 2 un schéma d~une ins-tallation de craquage catalytique, comportant une boucle de filtration selon la présente invention.
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~29S4 La référence 11 symbolise ainsi une colonne de fractionnement d'une unité de craquage catalytique.

Une telle colonne et plus généralement l'unité de craquage catalytique ainsi que ses conditions de ~onctionnement ou de réglage ne seront pas décrits plus avant dans le présent mémoire comme ne faisant pas partie à proprement parler de la présente invention, et l'on pourra se référer plus utilement aux ouvrages de base en la matière, tels que le WUITHIER, Tome I, Chap. II. D'une telle colonne 11 est soutiré un résidu de craquage, qui est d'abord strippé à la vapeur dans une colonne 12, puis envoyé via la pompe de reprise 13 et la conduite d'amenée 14, vers la boucle de filtration 15, objet spécifique de l'invention.

Le résidu de soutirage (ou slurry) chargé de fines particules de catalyseur, comme expliqué ci-avant, est introduit par la conduite d'amenée 14, dans la boucle de filtration 15. Cette boucle se compose d'une pompe de circulation 16 d'un assemblage série-parallèle (par exemple quatre modules en série, de 250 barrières chacun, montés comme décrit à la figure précédente) de barrières 17, et d'une tuyauterie de circulation 18. Des conduites d'évacuation du filtrat 19 et du concentrat 20 sont également prévues, qui permettent de recueillir d'une part, une charge hydrocarbonée exempte de fines particules dans un bac de stockage 21, et d'autre part, dlevacuer le concentrat. Enfin, une telle boucle 15 est manie de moyens de mesure et de contrôle, tels qu'un contrôle de debit, reférencé FC (pour "flow-control"~, de température, références TC (pour "temperature-control"~, et éventuellement . ,~

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un contrôle de vitesse de circulation, référencé SC (pour "speed-control"). En outre, il existe des liaisons au niveau des moyens de contrôle, entre la boucle de filtration et l'unité de craquage catalytique; ainsi, le contrôle du débit de filtrat est asservi à la mesure du niveau dans la colonne de strippage 12; de même, une recycle du filtrat vers la colonne de fractionnement - 5a -, ' : '., ... .

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~Z~54 6 _ principalel1 est asservie à la mesure de la différence de pression (DPC) en-tre les deux zones haute et basse pression, de la boucle de filtration et ~e la sortie du filtrat. Enfin, le débit de concentrat est asservi au débit de fil-trat, de telle sorte que le rapport entre ces deux débits s'établisse à une valeur de consigne, au moyen d'une vanne-proportionneuse (FRRC).
Les barrieres minérales, destinées à équiper une boucle de filtration, sont caractérisées par :Leurs rayons de per~éamétrie. Ces barri~res sont disponibles dans le commerce pour des rayons de perméamétrie comprises, pour une première gamme, entre 2 ~3t 100 nm (et dans ce cas, on parle alors d'ultrafiltration), et pour une seconde gamme, utilisée dans ce type particulier 15 d~application, entre 0,1 ~m et 100 ~m (et on parle alors de microfiltration).
Les impuretés, présentes dans la charge hydrocar-bonée introdui-te dans la boucle de filtration, sont retenues par lesdites barri~res, alors que la charge elle-meme, dans laquelle lesdites impuretés se trouvaient (en suspension ou en solution, selon les cas), filtre a~ travers des couchés sensibles, constitutives de la paroi interne desdites barrières. Par conséquent, la concentration en impuretés augmente daDs la boucle jusqu~à
; 25 atteindre un niveau d~équilibre, défini par les débits de soutirage du filtrat et du concentrat, ou même plus précisément par le rapport entre ces deux débits, dit taux de concentration qui est ajusté au moyen d'une vanne-proportionneuse montée sur la sortie du concentrat.
Il circule donc à l'intérieur de cette boucle du cor~cen-trat, que l~on soutire continument de telle sorte que le flu~ entrant (charge hydrocarbonée, par exemple slurry) soit égal au flux sortant (filtrat et concentrat). Enfin, un tel système est autonettoyant, le concentrat circulant dans la boucle étant animé d'une vitesse tangentielIe . importante (provoquée par la pompe de circulation), de tell~ sorte qu'il nettoie en permanence la sur~ace de la 9~

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couche senslble intérieure des barr.ières, et entraîne avec lui coutes les impuretés qui n'ont pas pu passer au travers de cette (ou ces) couche(s)0 Ce nettoyage permanent n~al-tere pas, ou très peu, les couch~s sensi-bles, puisque les divers essais conduits par la Demanderes-se, ontmontré que les barrières ava.ient une durée de vie relativement longue~ supérieure à une année. En cas de colmatage d'une barrière, ou de l~ensemble des barrières d'un module, par suite d'un incident ou de conditions opératoires inappropriées, il peut alors être nécessaire de procéder à une opération de décolmatage, et ceci peut se faire très facilement soit en exer~cant une contrepressi.on de l'extérieur vers l~intérieur des barri.ères, soit en faisant circuler le concentrat dans la boucle, sans ~5 soutirage, avec ou sans promoteurs de turbulence, soit encore en pur~eant le circuit, et en y introdu:isant un fluide adéquat que l~on fait circuler~ Ces fluides de décolmatage sont très di.vers, et dépendent généralement de la charge qui circule normalement dans l.es barrières:
ce sont typiquement des solvants, et l'on citera pour exemple le diluant léger catalytique dans les cias d~uti~
lisation d~une charge composée d'un slurry.
ESSAI EXPERIMENTAL
La Demanderesse a réalise un essal, dans des condi-tions réel.1eci de ~onctionnement d~une te1.lo bouclc~ surle pilote de filtration qu'elle dé~i.e1lt ~ans son Centre de Recherches, équi.pé de barrieres adéquates.
Ce pilote est équipé d'un module de trois barrières représentant une surface filtrante de o,o66 m , Cet 30 essai s'est poursuivi pendant 100 heures, après slabilisa- :
; tion du taux de concentration à 20, aux conditions opé-.: ; ratoires suivantes : température : 330C
: pression en sortie de barrières : 4,5 bars vitesse linéaire :.5m/sec.
Les teneurs en fines de catalyseur (d'un diametre moyen d~environ 20 ~m) des charges, filtrat et concentrat, sont ; . . . .

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~Z~54 respectivement cle 1500 ppm,inférieure ~ 50 ppm e-t 3%.
: L~analyse d~ ces teneurs a eu lieu ~ar filtration PCAS
r~C~o C~n h?B rc~
; Le rendement en filtrat est de l~ordre de 95%.
ESSAI INDUSTRIEL
Ces résultats ont été jugés su~fisaMment encoura-geants pour justifier la construction d'une boucle de démonstration, de caractère modulaire dans un site in-dustriel de façon à permettre une extension et une maintenance aisée exploitée par la Demanderesse.
Il est évident de la description qui précède, que d0 nombreuses modifications ou variantes peuvent être imaginées par l~homme de l~art, sans pour cela sortir du cadre de la présente invent:ion~ tel que déflni par les revendications ci-annexées. No-tamrn~nt, un tel procedé
s~appliquera ~voc la m~mo cfficncite au~ autres types de solides présents dans le slurry (coke, rouille,...) et ne dépendra que de la granulométrie de ceux-ci, eu egard à la porosité des barrières utilisées. Il pourra éga-lement s'appliquer à tout autre type de charge 9 en vue de séparer la fraction solide (ou une grande partie de celle~
ci~ de la fraction liquide.
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Claims (5)

1. Procédé de séparation de fines particules de catalyseur, d'une charge hydrocarbonée issue d'une unité
de craquage catalytique, caractérisisée en ce que l'on filtre ladite charge au travers de barrières minérales de microfiltration constituées d'un support de carbone résistant à la chaleur et revêtu intérieurement d'une couche sensible en oxyde(s) métallique(s) présentant une porosité adaptée au diamètre minimal des particules à
retenir, comprise entre 1 et 100 µm.

2. Procédé de séparation selon la revendication 1, dans lequel on envoie la charge à traiter vers une boucle de microfiltration, comprenant un assemblage série-parallèle de barrières minérales de microfiltration à l'intérieur desquelles on fait circuler un concentrat, on recueille un filtrat issu de ces barrières exempt de particules de diamètre supérieur audit diamètre minimal, et on évacue une partie dudit concentrat, riche en ces mêmes particules, caractérisé en ce que l'on modifie le rapport entre le débit du filtrat et celui de concentrat en fonction des qualités de la charge disponible et du filtrat que l'on désire recueillir, par action sur une vanne-proportionneuse(FRRC).

3. Boucle de microfiltration pour l'emploi dans un procédé de séparation de fines particules de catalyseur, d'une charge hydrocarbonée issue d'une unité de craquage catalytique, comportant un assemblage série-parallèle de barrières minérales de microfiltration, constituées d'un support sous la forme d'un tube cylindrique en carbone recouvert intérieurement par une (ou des) couche(s) d'oxyde, de granulométrie appropriée, relié par une tuyauterie disposée sous forme d'une boucle, à
l'intérieur de laquelle peut circuler le concentrat, des moyens d'introduction dans ladite boucle de la charge sous la forme d'une conduite d'amenée et d'une pompe de charge et des moyens d'évacuation du filtrat et du concentrat, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens de mesure et de contrôle des débits, et accessoirement des moyens de mesure de la température du concentrat à l'intérieur de la boucle.

4. Boucle de microfiltration selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de mesure et de contrôle de la vitesse de circulation du concentrat à l'intérieur de la boucle.

5. Boucle de microfiltration selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le débit du filtrat est contrôlé par une simple vanne, alors que le débit du concentrat est ajusté a une valeur de consigne déterminée, au moyen d'une vanne-proportionneuse (FRRC).