EP0127519B1 - Procédé de vapocraquage d'hydrocarbures - Google Patents

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EP0127519B1
EP0127519B1 EP84400992A EP84400992A EP0127519B1 EP 0127519 B1 EP0127519 B1 EP 0127519B1 EP 84400992 A EP84400992 A EP 84400992A EP 84400992 A EP84400992 A EP 84400992A EP 0127519 B1 EP0127519 B1 EP 0127519B1
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combustion
zone
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steam
combustion gas
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Philippe Bernard
Francois Prudhon
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Rhodia Chimie SAS
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Rhone Poulenc Chimie SA
Rhone Poulenc Chimie de Base SA
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G9/00—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
    • C10G9/34—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils by direct contact with inert preheated fluids, e.g. with molten metals or salts
    • C10G9/36—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils by direct contact with inert preheated fluids, e.g. with molten metals or salts with heated gases or vapours
    • C10G9/38—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils by direct contact with inert preheated fluids, e.g. with molten metals or salts with heated gases or vapours produced by partial combustion of the material to be cracked or by combustion of another hydrocarbon

Definitions

  • the present invention relates to a process for steam cracking of hydrocarbons, optionally in the presence of hydrogen.
  • steam cracking of hydrocarbons, or cracking in the presence of water vapor was used in the UNITED STATES between 1930 and 1940 for the production of ethylene and aromatic hydrocarbons.
  • the use of hydrogen has two advantages: the conversion of heavy products into light products is improved and the formation of deposits is reduced.
  • the reactor has the shape of a convergent-divergent nozzle.
  • the fundamental condition for any cracking process with olefin production is the appropriate setting of the residence time / temperature ratio, which is possible in a tubular reactor. As the recent trend is towards very short residence times, it will be more difficult to create this fundamental condition and the development of new technologies will prove to be essential ”.
  • GB-A-1 174870 has proposed a device for cracking hydrocarbons, leading to the manufacture of ethylene and acetylene, by treatment by means of a vortex gas flow, but the quantities of ethylene and acetylene obtained remain low.
  • the combustion gas is formed in situ and contains water vapor.
  • it serves to provide the mechanical energy necessary to produce, in situ, the transfer surface as well as the thermal energy necessary for cracking; heat transfer is therefore carried out without the inconvenience of a tubular exchange surface and the combustion gas and the charge are mixed intensively.
  • gaseous reagents are introduced, so that the resulting gaseous phase has the form of a symmetrical helical flow, said reagents reacting in this zone, so as to produce a gas containing superheated water vapor which is evacuated in the form of a well-vortex flow in an isorepartition zone 2 into which the charge of hydrocarbon to be cracked is introduced, at the level of the zone in relative depression generated by the well-vortex flow, the momentum of the combustion gas containing the superheated steam being sufficient relative to that of the liquid charge to cause said liquid charge to rupture, to be sprayed and to take charge of each drop formed by an associated gas volume element, the amount of heat provided the combustion gas being sufficient to allow the vaporization of this charge, overheating and cracking at the desired temperature.
  • the momentum of the volume elements of the gas phase from zone 1 is at least 100 times and preferably between 1000 and 10000 times that of the associated volume elements of the liquid phase.
  • the speed of introduction of the liquid which can be optionally predispersed, is generally low, less than 10 m / s and preferably less than 5 m / s.
  • the gas-well-vortex phase is obtained, in situ, by means of the gases serving to generate the combustion gas containing the steam of the steam cracking process.
  • This combustion gas will depend in particular on the nature of the charge to be cracked and on the final products which it is desired to favor, but it must in any case be sufficient to cause cracking of the charge, in any case higher than the cracking temperatures in tubular reactors which are of the order of 800 ° -900 ° C.
  • the temperature of this gaseous well-vortex phase will therefore advantageously be as high as possible, taking into account the possibilities of the apparatus, that is to say practically between 1000 and 25 ⁇ 0 ° C.
  • This combustion gas containing superheated steam can be obtained by combustion of a hydrocarbon.
  • the superheated steam produced in zone 1 can also be obtained by direct combustion of hydrogen and oxygen, at least one of these reactants being introduced in a symmetrical helical flow into said zone.
  • This hydrogen can fulfill several functions as a thermal diluent in zone 1 but also as a chemical participant in cracking in zone 2.
  • a non-pure oxygen source can also be used.
  • the method according to the invention has great flexibility with respect to the load introduced.
  • This comprises a combustion chamber (1) which has an envelope (3), closed at its downstream part by a restricted passage (4), a pipe (5) for tangential supply of hydrogen, a supply pipe (6) oxygen.
  • the envelope (3) ends downstream by a convergent (7) in which ends, along the axis of rotation symmetry of the chamber (1) an injection device (8) of the hydrocarbon charge, substantially at the restricted passage (4), a contact chamber (2) extending downstream the chamber (1) along the same axis of symmetry.
  • the chamber (1) has an ignition means (9), an annular cooling space (10) around the injection device (8) and another cooling circuit (11) around said chamber (1 ).
  • a quenching device (12) is provided at the outlet from the contact chamber (2).
  • the hydrocarbon charge consists of a liquid hydrocarbon fuel (domestic fuel oil according to French standards, type 2 according to ASTM standard).
  • the temperature / residence time couple is varied with a device of 20 cm overall size.
  • Examples 1 and 2 are produced with a chamber 2 in the form of a bicone as in the figure.
  • the bicone is replaced by a tube.

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Description

  • La présente invention a trait à un procédé de vapocraquage d'hydrocarbures, éventuellement en présence d'hydrogène. On sait que le vapocraquage des hydrocarbures, ou craquage en présence de vapeur d'eau, a été utilisé aux ETATS-UNIS entre 1930 et 1940 pour la production d'éthylène et d'hydrocarbures aromatiques.
  • Il s'agissait alors d'un procédé selon lequel la charge à craquer, diluée, circulait dans des tubes chauffés de l'extérieur. L'évolution de la technologie a permis d'augmenter les capacités de production et de faire appel à des charges d'hydrocarbures de plus en plus lourdes.
  • On sait que, dans un tel procédé, la vapeur d'eau remplit plusieurs fonctions. Ainsi, selon B. BLOURI (Etat des connaissances sur le traitement thermique des produits lourds - Revue de l'Institut Français du Pétrole, Vol. 36 N° 1 - JANVIER-FEVRIER 1981), l'introduction de vapeur d'eau a trois fonctions principales:
    • - «elle abaisse la pression partielle de l'hydrocarbure et favorise ainsi un craquage sélectif en oléfine
    • - elle réduit la pression partielle des hydrocarbures aromatiques à haut poids moléculaire et diminue leur tendance à former du coke avec la charge de craquage et à déposer des résidus lourds sur la surface des échangeurs et des canalisations
    • - elle a un effet oxydant suffisant sur les tubes métalliques afin de diminuer, d'une façon significative, les effets catalytiques du fer ou du nickel pour la formation du carbone».
  • On trouve aussi un procédé selon lequel on cherche à remplacer la vapeur d'eau par de l'hydrogène sous pression. L'objectif est d'obtenir une grande proportion d'alcènes en craquant une charge sans catalyseur, en un temps de séjour très court et à une température qui, si la charge est du naphta, est de l'ordre de 930°C.
  • L'utilisation de l'hydrogène présente deux avantages: la conversion des produits lourds en produits légers est améliorée et la formation de dépôt est réduite.
  • Malheureusement, la présence d'une grande quantité d'hydrogène provoque des réactions d'hydrogénation qui entrent en compétition avec les réactions de craquage proprement dites. Il y a alors inhibition de la formation d'alcènes.
  • Enfin, quel que soit le cas, les effets parasites des parois apparaissent comme une contrainte dans les procédés de vapocraquage.
  • De manière générale, on a cherché à éviter de faire appel à des réacteurs multi-tubulaires. On a proposé depuis longtemps de réaliser un craquage par contact direct avec des gaz de combustion, par exemple au moyen d'un choc thermique comme dans l'US-A-2 790 838. On a aussi revendiqué des formes plus élaborées de contact. Ainsi, dans l'US-A-4136015, on introduit la charge sous forme atomisée dans le courant gazeux obtenu par combustion du produit lourd par un oxydant, dans une zone de brûlage et de mélange, suivie d'une zone de craquage et d'une zone de trempe.
  • Le réacteur présente la forme d'une buse convergente-divergente.
  • Toutefois, ce réacteur suppose que l'on sache maîtriser un écoulement complexe de fluides, ainsi que le fait remarquer Barendregt - Information Chimie, N° 231, Nov. 82, p. 217-221.
  • «La condition fondamentale pour tout processus de craquage avec production d'oléfines est le réglage approprié du rapport temps de séjour/température, réglage qui est possible dans un réacteur tubulaire. Comme l'évolution récente va vers les très courts temps de séjour, il sera plus difficile de créer cette condition fondamentale et la mise au point de nouvelles technologies va s'avérer indispensable».
  • Mais ceci implique que le mélange entre un liquide visqueux au départ et une phase gazeuse soit réalisé de façon homogène dans un temps nettement inférieur au temps de séjour, c'est-à-dire que le temps de pulvérisation, vaporisation et mélange soit le plus court possible.
  • A ces problèmes, il convient d'ajouter ceux posés par la nécessité de changements de charge, dans la mesure où l'on fait appel à des charges allant des plus légères aux plus lourdes et où l'on désire contrôler le procédé, en fonction du produit final que l'on veut privilégier: éthylène ou autre.
  • Ainsi l'on a proposé dans le GB-A-1 174870 un dispositif pour le craquage d'hydrocarbures, conduisant à la fabrication d'éthylène et d'acétylène, par traitement au moyen d'un flux gazeux tourbillonnaire, mais les quantités d'éthylène et d'acétylène obtenues restent faibles.
  • Ainsi, en dépit d'efforts réitérés et de nombreuses solutions proposées depuis une cinquantaine d'années, les problèmes de base du vapocraquage restent sans solution satisfaisante.
  • Or, et c'est ce qui fait l'objet de la présente invention, la demanderesse a trouvé que l'on pouvait pallier ces inconvénients dans un procédé de contact direct, non tubulaire.
  • Selon l'invention, le gaz de combustion est formé in situ et contient de la vapeur d'eau. De plus, il sert à apporter l'énergie mécanique nécessaire à réaliser, in situ, la surface de transfert ainsi que l'énergiether- mique nécessaire au craquage; on réalise donc un transfert thermique sans l'inconvénient d'une surface d'échange tubulaire et on mélange intensément le gaz de combustion et la charge.
  • Selon le procédé de l'invention, dans une première zone 1, on introduit des réactifs gazeux, de manière à ce que la phase gazeuse résultante présente la forme d'un écoulement hélicoïdal symétrique, lesdits réactifs réagissant dans cette zone, de manière à produire un gaz contenant de la vapeur d'eau surchauffée qui s'évacue sous forme d'un écoulement puits-tourbillon dans une zone 2 d'isorépartition dans laquelle est introduite la charge d'hydrocarbure à craquer, au niveau de la zone en dépression relative générée par l'écoulement puits-tourbillon, la quantité de mouvement du gaz de combustion contenant la vapeur surchauffée étant suffisante par rapport à celle de la charge liquide pour provoquer la rupture de ladite charge liquide, sa pulvérisation et la prise en charge de chaque goutte formée par un élément de volume gazeux associé, la quantité de chaleur apportée par le gaz de combustion étant suffisante pour permettre la vaporisation de cette charge, sa surchauffe et son craquage à la température désirée. Pratiquement, la quantité de mouvement des éléments de volume de la phase gazeuse issue de la zone 1 est d'au moins 100 fois et de préférence entre 1000 et 10000 fois celle des éléments de volume associés de la phase liquide.
  • Contrairement à ce qui se passe pour les procédés classiques d'atomisation à distribution de type aléatoire des éléments de volume de la phase liquide, les transferts de chaleur peuvent être réalisés dans un temps très bref dans une zone d'isorépartition, en raison de la qualité de contact entre les deux phases (effet dit isoflash).
  • Il suffit de choisir, dans ce cas, des pressions sur les gaz, faibles par rapport à la pression dans la zone de contact.
  • La vitesse d'introduction du liquide, lequel peut être éventuellement prédispersé, est généralement faible, inférieure à 10 m/s et de préférence inférieure à 5 m/s.
  • Selon le procédé de l'invention, la phase gazeuse puits-tourbillon est obtenue, in situ, au moyen des gaz servant à générer le gaz de combustion contenant la vapeur d'eau du procédé de vapocraquage.
  • La température de ce gaz de combustion va dépendre notamment de la nature de la charge à craquer et des produits finals que l'on veut privilégier, mais elle doit être en tout état de cause suffisante pour provoquer le craquage de la charge, en tout cas supérieure aux températures de craquage dans des réacteurs tubulaires qui sont de l'ordre de 800°-900°C.
  • La température de cette phase gazeuse puits-tourbillon sera donc avantageusement la plus élevée possible, compte-tenu des possibilités de l'appareillage, c'est-à-dire pratiquement entre 1000 et 25θ 0° C.
  • Ce gaz de combustion contenant de la vapeur d'eau surchauffée peut être obtenu par combustion d'un hydrocarbure.
  • La vapeur d'eau surchauffée produite dans la zone 1 peut aussi être obtenue par combustion directe d'hydrogène et d'oxygène, l'un au moins de ces réactifs étant introduit selon un écoulement hélicoïdal symétrique dans ladite zone.
  • On peut aussi introduire de l'hydrogène en excès. Cet hydrogène peut remplir plusieurs fonctions comme diluant thermique dans la zone 1 mais aussi comme participant chimique au craquage dans la zone 2.
  • On peut également utiliser une source d'oxygène non pure.
  • Eventuellement, on peut introduire une source d'oxygène en très faible proportion dans la zone 2 de contact et d'isorépartition.
  • De manière surprenente, l'on s'est aperçu que cette vapeur d'eau surchauffée, produite immédiatement avant la zone d'isorépartition dans laquelle se produit le craquage (au moins partiellement), permet de pallier les inconvénients de l'art antérieur.
  • Bien que l'on ne soit pas en état d'expliquer de manière certaine l'action de la vapeur d'eau dans les conditions de l'invention, on pense que l'état physico-chimique dans lequel la vapeur d'eau s'y trouve n'est pas indifférent.
  • Comme dit précédemment, le procédé selon l'invention présente une grande souplesse par rapport à la charge introduite.
  • Il peut être mis en oeuvre dans un dispositif qui comprend:
    • - une chambre amont (1 à à l'intérieur de laquelle a lieu la combustion nécessaire à la production de vapeur d'eau surchauffée
    • - une chambre aval (2) dans laquelle a lieu la réaction de craquage
    • - des moyens d'injection tangentiels et de répartition symétrique d'au moins une source gazeuse du groupe de l'hydrogène, des hydrocarbures et de l'oxygène
    • - un passage restreint aval, de manière à conférer au flux gazeux l'allure d'un écoulement puits-tourbillon symétrique
    • - au moins un moyen d'introduction axiale de la charge d'hydrocarbure à l'entrée de la chambre de craquage. Eventuellement, la charge peut être pré- dispersée afin de favoriser sa pulvérisation par l'écoulement puits-tourbillon issu de la chambre de combustion (1)
    • - des moyens pour effectuer une trempe sur les produits issus de la réaction.
  • Mais la présente invention sera plus aisément comprise à l'aide des exemples suivants, donnés à titre illustratif, réalisés à l'aide du dispositif illustré à la figure ci-annexée, avec le couple H2/02 servant à former la vapeur d'eau surchauffée.
  • Celui-ci comprend une chambre de combustion (1) qui présente une enveloppe (3), fermée à sa partie aval par un passage restreint (4), un conduit (5) d'amenée tangentielle d'hydrogène, un conduit d'amenée (6) d'oxygène. L'enveloppe (3) se termine en aval par un convergent (7) dans lequel aboutit, selon l'axe de symétrie de rotation de la chambre (1) un dispositif d'injection (8) de la charge d'hydrocarbure, sensiblement au niveau du passage restreint (4), une chambre (2) de mise en contact prolongeant en aval la chambre (1) selon le même axe de symétrie. Par ailleurs, la chambre (1) présente un moyen d'allumage (9), un espace annulaire de refroidissement (10) autour du dispositif d'injection (8) et un autre circuit de refroidissement (11) autour de ladite chambre (1). Enfin, un dispositif de trempe (12) est ménagé à la sortie de la chambre de contact (2).
    • Exemples
  • La charge d'hydrocarbures est constituée par un carburant liquide hydrocarboné (fuel-oil domestique selon les normes françaises, de type 2 selon la norme ASTM).
  • Dans les exemples on fait varier le couple tempé- rature/temps de séjour avec un dispositif de 20 cm de dimension hors-tout.
    Figure imgb0001
  • Les exemples 1 et 2 sont réalisés avec une chambre 2 en forme de bicône comme sur la figure. A l'exemple 3 on remplace le bicône par un tube.
    Figure imgb0002
  • Sur ces exemples on observe:
    • - que le taux de transformation de la charge en moins de C5 est supérieur à 80%, c'est-à-dire qu'il est excellent, aussi bon que pour un naphta plus léger, par un procédé conventionnel (réacteur tubulaire), ce qui correspond à une meilleure performance,
    • - que le rendement en C2H2 + C2H4 + C3H6 est bon, de l'ordre de 50%,
    • - que l'on peut faire varier simplement la sélectivité notamment en acétylène,
    • - que ces résultats sont obtenus avec un dispositif de faible dimension eu égard à l'encombrement de la chambre de réaction.
  • On a vérifié sur un hydrocarbure lourd (fuel-oil lourd selon les normes françaises de type 6 selon la norme ASTM) que le mélange constitué des hydrocarbures légers suivants (CH4 - C2H2 - C2H4 - C3H6), dans les mêmes conditions qu'à l'essai 3, a une composition similaire à celle obtenue à partir de l'hydrocarbure léger précédent, ainsi que l'indique le tableau III.
    Figure imgb0003

Claims (6)

1. Procédé de vapocraquage d'hydrocarbures par contact direct avec formation in situ du gaz de combustion contenant de la vapeur d'eau, caractérisé par le fait que dans une première zone 1, on introduit des réactifs gazeux de manière à ce que la phase gazeuse en résultant présente la forme d'un écoulement hélicoïdal symétrique, lesdits réactifs réagissant dans cette zone, de sorte à produire un gaz de combustion contenant de la vapeur d'eau surchauffée qui s'évacue sous forme d'un écoulement puits-tourbillon symétrique dans une zone 2 d'isorépartition dans laquelle est introduite la charge d'hydrocarbure à craquer, au niveau de la zone en dépression relative générée par l'écoulement puits-tourbillon, la quantité de mouvement du gaz de combustion contenant de la vapeur surchauffée étant suffisante par rapport à celle de la charge liquide pour provoquer la rupture de ladite charge liquide, sa pulvérisation et la prise en charge de chaque goutte formée par un élément de volume gazeux associé, la quantité de chaleur apportée par ledit gaz de combustion étant suffisante pour permettre la vaporisation de cette charge, sa surchauffe et son craquage à la température désirée.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la quantité de mouvement des éléments de la phase gazeuse est d'au moins 100 fois et de préférence 1.000 à 10.000 fois celle des éléments de volume de la phase liquide.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la température du gaz de combustion est supérieure à 800°C, avantageusement comprise entre 1.000 et 2.500°C.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le gaz de combustion contenant de la vapeur d'eau surchauffée est obtenu par combustion d'un hydrocarbure.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la vapeur d'eau surchauffée est obtenue par combustion directe d'hydrogène et d'oxygène, l'un au moins de ces réactifs étant introduit selon un écoulement hélicoïdal symétrique.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'on introduit de l'hydrogène en excès.
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