EP0861310B1 - Procede et dispositif de craquage catalytique descendant mettant en oeuvre l'injection d'une charge sous un angle adequat sur un catalyseur conditionne - Google Patents

Procede et dispositif de craquage catalytique descendant mettant en oeuvre l'injection d'une charge sous un angle adequat sur un catalyseur conditionne Download PDF

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EP0861310B1
EP0861310B1 EP97919105A EP97919105A EP0861310B1 EP 0861310 B1 EP0861310 B1 EP 0861310B1 EP 97919105 A EP97919105 A EP 97919105A EP 97919105 A EP97919105 A EP 97919105A EP 0861310 B1 EP0861310 B1 EP 0861310B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
catalyst
zone
feed
injection
flow
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP97919105A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0861310A1 (fr
Inventor
Renaud Pontier
Régis Bonifay
Gérard Courteheuse
Mariano Del Pozo
Thierry Gauthier
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of EP0861310A1 publication Critical patent/EP0861310A1/fr
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
    • C10G11/00—Catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
    • C10G11/14—Catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils with preheated moving solid catalysts
    • C10G11/18—Catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils with preheated moving solid catalysts according to the "fluidised-bed" technique
    • C10G11/187—Controlling or regulating
    • 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
    • C10G11/00—Catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
    • C10G11/14—Catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils with preheated moving solid catalysts
    • C10G11/18—Catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils with preheated moving solid catalysts according to the "fluidised-bed" technique

Definitions

  • the invention relates to a process for catalytic cracking in a fluid bed (FCC) of a hydrocarbon charge in a reaction zone where the charge circulates from top to low (in English dropper).
  • FCC fluid bed
  • Patent application EP-A-0479645 describes a downflow reactor or dropper in which the load is supplied in a co-current direction the catalyst flow. This flows from a dense phase.
  • the area of dense phase catalyst can be a dense fluidized bed storage area located between the particle regenerator and the entrance to the droppers. In these conditions, the density of the gas-solid suspension can be controlled.
  • a another patent application EP-A-0663434 describes a dropper supplied with a catalyst from a conditioning zone of the fluidized bed catalyst which is connected to a coker catalyst regenerator. The packaging area includes elsewhere a gas disengagement zone.
  • US Pat. No. 4,919,898 describes the formation of a curtain falling from the catalyst from rectangular openings coming from a bed pressurized by steam. This bed therefore regulates the pressure difference between the enclosure containing the pressurized bed and a chamber for mixing the catalyst and the charge downstream of the bed. This patent further describes the injection of the charge in the direction of the valve forming the curtain.
  • US Patent 5,296,131 further describes a downwardly flowing catalyst curtain of annular shape.
  • the charge is injected downward at least in part through a radial opening under the seat of a valve type valve of frustoconical shape, pressed against the upper part of the reactor.
  • patent application EP-A-0 209 442 which describes the presence of a valve downstream of a first fluidization ring which disturbs the fluidization conditions until defluidization leading to obtaining a density corresponding to a bulk bed.
  • the object of the invention is to remedy the drawbacks of the prior art.
  • the invention relates to a catalytic cracking process in fluidized bed of an oil charge in lighter effluents in a cracked zone catalytic comprising a reaction zone or dropper in which introduces regenerated catalyst at an upper end called the injection zone coming from at least one regeneration zone, the catalyst is shaped by means of a shaping member having a restriction, it is brought into contact the catalyst with the charge, we form a mixture flowing down from catalyst and charge, and at least the majority of the charge is vaporized in said injection zone, we crack said charge to obtain lighter effluents, we separates effluent from spent catalyst in a separation zone at the end lower, the effluent is recovered and the spent catalyst is recycled in the regeneration, the process being characterized in that the catalyst is run off regenerated from the regeneration zone in a conditioning zone catalyst in a dense fluidized bed upstream of the injection zone comprising a gas disengagement zone, the speed of fluidization by a fluidizing gas being between 0.1 and 30 cm / s, a flow of catalyst flowing
  • the flow of catalyst flowing by gravity through the restriction with a variable or constant passage section is, as a general rule, between 200 and 20,000 kg / m 2 .s and preferably between 1,000 and 10,000 kg / m 2 .s, an excellent range of values between 4,000 and 6,000 kg / m 2 .s.
  • the charge can be injected by a plurality of injectors arranged all around the wall of the injection area at an angle less than or equal to 30 degrees from the horizontal and preferably at an angle of 5 to 25 degrees.
  • the injection angle ⁇ is determined so that the result of the vectors taking into account the momentum of the charge and the amount of movement of the catalyst is substantially horizontal, for example more or less ten degrees around the horizontal.
  • the catalyst mass ratio on load in the injection area can be between 5 and 20, preferably between 10 and 18.
  • the speed of the gravity-flowing catalyst by the restriction can be from 0.1 to 20 m / s and advantageously from 0.5 to 5 m / s, while the speed atomized charge droplets is usually between 50 and 100 m / s and preferably 70 to 90 m / s.
  • the flow rate of catalyst in the injection zone can be adjusted by means of a valve with variable opening which can be that according to the first variant, or a valve with variable opening arranged on the introduction line of the regenerated catalyst and from the regenerator to the conditioning area.
  • This valve is also slaved to a temperature sensor at the output of the dropper.
  • the catalyst conditioning zone can have a catalyst gas disengagement zone above the level dense fluidized bed, between a third and a half of the total height of the conditioning area.
  • the injection zone of the reaction zone is generally sized to receive a given mass of catalyst such as the residence time in this zone is usually between 0.02 s and 0.5 s and preferably between 0.03 s and 0.1 s.
  • the catalyst can be one of those known to those skilled in the art, for example those cited in US Patent 5,296,131.
  • the member for introducing the hydrocarbon charge can be any member well known to those skilled in the art allowing the introduction of a hydrocarbon charge, preferably in the form of droplets preferably having a mean diameter. less than 5x10 -4 meter (m) and advantageously less than 1x10 -4 (m). It is preferable that the hydrocarbon charge is introduced so as to form fine droplets distributed homogeneously at the level of the introduction zone.
  • An auxiliary fluid called atomization promoting the production of fine droplets can also be introduced with the hydrocarbon charge.
  • This auxiliary fluid will usually be a gas such as steam, or a gas relatively rich in hydrogen or hydrogenated compounds from other units of the refinery.
  • the atomization is generally carried out outside the reaction zone.
  • injectors are usually arranged at the periphery of the injection area, under the catalyst shaping member and their end is located in at minus a plane substantially perpendicular to the axis of the injection zone or of the dropper.
  • the distance of these injectors, counted from the theoretical impact points of the jets load on the axis of the injection zone (or reaction zone), at the point lowest of the catalyst forming member is at most equal to 2 times the diameter of the injection area.
  • this distance can be 0.5 to 1 times the diameter of the zone injection.
  • the invention also relates to a catalytic cracking unit with a descending reactor. or dropper to catalytically crack a hydrocarbon charge in the presence of a cracking catalyst and to produce an effluent of light products and coked cracking catalyst.
  • Unit includes organ with restriction for the shaping of the catalyst upstream of the dropper, a supply of charge communicating with an injection chamber at the top of the dropper and bringing the charge into contact with the shaped catalyst, a effluent separation enclosure for the coked catalyst at the bottom of the dropper and at least one coke catalyst regeneration enclosure communicating with the separation enclosure and a catalyst supply line regenerated connecting the regeneration enclosure to the catalyst shaping member, said unit being characterized in that it comprises an enclosure of conditioning of the regenerated catalyst in a dense fluidized bed connected between the regenerator and the catalyst shaping member, said enclosure comprising fluidization means and having a catalyst disengagement zone from the gas, of suitable volume at the top of said enclosure, which communicates by a pressure equalization line with the upper part of the containment regeneration, and in that
  • a device 1 for catalytic cracking in a known fluidized bed known in itself essentially comprises a dropper (descending reactor) 13 supplied with its upper part by catalyst conditioned in an enclosure of conditioning 2.
  • This enclosure is supplied with catalyst by a line 3 oblique, coming from a regeneration zone which in this case contains two regenerators 4 and 17 in fluidized bed, superimposed.
  • the dropper is fed in its upper part by a load introduced by injectors 12 and vaporized in contact with the hot regenerated catalyst (approximately 780 ° C).
  • the effluents are separated from the catalyst in a stripper 14 known per se, discharged by a line 15 while the catalyst once stripped by water vapor by example and containing coke is recycled in the first regenerator 17 by a recycling line 16.
  • the catalyst partially regenerated, in the presence of a gas containing oxygen is raised in the second regenerator 4 by a lift 25, where it undergoes a second combustion in the presence of an oxygen-containing gas.
  • cyclones or means of fluidization in the separator or regenerators which are well known to those skilled in the art, and which do not are not shown in the figure for the sake of simplification.
  • the regenerated and hot catalyst from the second zone of regeneration in dense fluidized phase is introduced by gravity through line 3 inclined in the packaging enclosure 2 in a dense fluidized bed upstream of the dropper 13.
  • a fluidization ring 5 supplies a fluidization gas 5a which may be steam, the lower part of the enclosure for conditioning the catalyst at a speed of 10 cm / s.
  • the catalyst then has a density, for example between 550 and 800 kg / m 3 and typically 600 kg / m 3 .
  • the catalyst conditioning chamber 2 is dimensioned so as to present in its upper part a zone 8 for disengagement of the gas from the catalyst, located above the arrival of line 3 and of height between the third and a quarter of the total height of the conditioning enclosure.
  • Line 9 pressure balancing connects the disengagement zone to the upper part of the second regenerator.
  • level 7 of the fluidized bed in the second controlled regenerator by a level probe 23 and controlled by a regulator 24 to the air flow of rise (lift) of the catalyst corresponds substantially to that 6 of the fluidized bed in the conditioning enclosure.
  • the device Downstream of the conditioning enclosure 2, the device comprises an injection chamber 10 of diameter at least equal to that of the dropper, at the inlet of which a flow control valve 11 or shaping valve of a curtain of falling catalyst lets escape, by its annular section of opening or restriction, a catalyst flow of about 800 kg / m 2 .s.
  • This valve can have a fixed central part or insert which determines with the wall from the injection zone, the cross section of the catalyst flow determined in combination with another flow control valve 19 on the intake line catalyst 3.
  • the curtain shaping valve can comprise a movable central part connected to a rod, according to patent FR 2631857, this rod being protected from the catalyst by a sheath containing a sweeping gas. Said movable central part of the valve determines with its seat a section of adequate annular passage for a given flow rate of catalyst delivered by the valve 19 and therefore an appropriate flow.
  • the injection chamber generally has a larger diameter than that of the restriction (the largest diameter of the annular curtain of catalyst formed) so that the charge injector tips do not intercept the catalyst curtain.
  • the charge after being atomized outside the device, is injected by a plurality of injectors 12 disposed at the periphery, on a plane substantially perpendicular to the axis of the dropper and whose jet of charge droplets is directed towards said axis at an injection angle close to 25 degrees of angle under the valve 11, against the current of the curtain falling from the catalyst, which allows it to break.
  • the distance of the injectors, counted from the theoretical impact points of the jets load on the axis of the injection chamber (or of the dropper), at the lowest point of the shaping member of the catalyst curtain is at most equal to 2 times the diameter of the injection enclosure and preferably between 0.5 and 1 times that diameter.
  • This distance of the injectors relative to the valve 11 prevents on the one hand the erosion of the valve and on the other hand the recirculation zones above the injectors, the catalyst and / or charge.
  • This dropper can have a diameter smaller than that of the enclosure injection.
  • the cracked effluents are collected after stripping with steam using the line 15 and the catalyst is recycled to the first regenerator 17.
  • the flow control valve 19 is generally controlled by a line 22 to a temperature measurement 20 given by a probe 21 arranged at the lower end of the dropper.
  • the unit is generally started by closing the flow restriction 11 variable or by closing an all or nothing valve not shown in the figure, placed for example below the member 11, when the latter, with a fixed central part, determines a constant passage section of catalyst.
  • the part of the catalyst shaping member opposite the load injected can have a concave shape and thus determine an area of containment for the vaporization thereof capable of improving the selectivity of the cracking reaction.
  • the distance along the axis of the charge injectors from the insert (most bottom) is 0.5 times the diameter of the injection chamber.

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Description

L'invention concerne un procédé de craquage catalytique en lit fluide (FCC) d'une charge hydrocarbonée dans une zone réactionnelle où la charge circule de haut en bas (en anglais dropper).
Un des problèmes majeurs auquel est confronté le raffineur est celui de l'optimisation de la production d'essence en liaison avec une production augmentée d'oléfines légères en C3. Les modifications technologiques des unités de FCC à écoulement ascendant (riser) consistent à diminuer le temps de séjour de la charge dans la zone catalytique de manière à atteindre des valeurs inférieures à 0,5s. essentiellement par une augmentation de la vitesse de circulation de la charge et du catalyseur. Combinée avec une augmentation de la température de réaction, cette réduction de temps de séjour permet de favoriser les réactions de craquage primaire au détriment des réactions consécutives de transfert d'hydrogène et de craquage secondaire.
Une autre modification technologique allant dans le même sens consiste à réduire le phénomène de retromélange, caractéristique des unités en écoulement ascendant, en mettant en oeuvre un écoulement à co-courant descendant de gaz et de catalyseur. Dans ce type d'écoulement les profils radiaux de concentration et de vitesse sont plus "plats", ce qui approche de l'écoulement "piston" bien connu pour favoriser la sélectivité en essence et réduire les réactions de craquage secondaire.
La demande de brevet EP-A-0479645 décrit un réacteur à écoulement descendant ou droppeur dans lequel la charge est alimentée à co-courant du sens de l'écoulement du catalyseur. Celui-ci s'écoule à partir d'une phase dense. La zone de catalyseur en phase dense peut être une zone de stockage en lit fluidisé dense située entre le régénérateur de particules et l'entrée du droppeur. Dans ces conditions, la masse volumique de la suspension gaz-solide peut être contrôlée. Une autre demande de brevet EP-A-0663434 décrit un droppeur alimenté en catalyseur à partir d'une zone de conditionnement du catalyseur en lit fluidisé qui est connectée à un régénérateur de catalyseur coké. La zone de conditionnement comporte par ailleurs une zone de désengagement de gaz.
Le problème majeur lié à ce type de réacteur concerne le contact intime entre le catalyseur régénéré chaud et la charge hydrocarbonée.
Le brevet US 4919898 décrit la formation d'un rideau tombant de catalyseur à partir d'ouvertures rectangulaires provenant d'un lit pressurisé par de la vapeur. Ce lit régule de ce fait la différence de pression entre l'enceinte contenant le lit pressurisé et une chambre de mélange du catalyseur et de la charge en aval du lit.
Ce brevet décrit de plus l'injection de la charge dans la direction de la vanne formant le rideau.
La mise en oeuvre industrielle d'un système de pressurisation en vue d'une régulation de débit est extrêmement délicate par suite d'une très grande variation de débit pour une très faible variation de pression, ce qui peut induire un débit de solide instable et pénalise en conséquence la selectivité des produits recherchés.
Le brevet US 5296131 décrit par ailleurs un rideau de catalyseur s'écoulant vers le bas, de forme annulaire. La charge est injectée vers le bas au moins en partie à travers une ouverture radiale sous le siège d'une vanne type soupape de forme tronconique, plaquée contre la partie supérieure du réacteur.
L'art antérieur est par ailleurs illustré par la demande de brevet EP-A-0 209 442 qui décrit la présence d'une vanne en aval d'un premier anneau de fluidisation qui perturbe les conditions de fluidisation jusqu'à une defluidisation conduisant à l'obtention d'une masse volumétrique correspondant à un lit en vrac.
L'objet de l'invention est de remédier aux inconvénients de fart antérieur.
On a observé qu'en conditionnant le catalyseur en masse volumique, en le mettant en circulation sous des formes géométriques adéquates et en optimisant la zone d'injection de la charge dans la zone réactionnelle, on améliorait substantiellement la sélectivité de la réaction de craquage.
De manière plus précise, l'invention concerne un procédé de craquage catalytique en lit fluidisé d'une charge pétrolière en effluents plus légers dans une zone de craquage catalytique comprenant une zone réactionnelle ou droppeur dans laquelle on introduit, à une extrémité supérieure appelée zone d'injection, du catalyseur régénéré en provenance d'au moins une zone de régénération, on met en forme le catalyseur au moyen d'un organe de mise en forme présentant une restriction, on met en contact le catalyseur avec la charge, on forme un mélange s'écoulant vers le bas de catalyseur et de charge, et on vaporise au moins la majorité de la charge dans ladite zone d'injection, on craque ladite charge pour obtenir les effluents plus légers, on sépare les effluents du catalyseur usé dans une zone de séparation à l'extrémité inférieure, on récupère les effluents et on recycle le catalyseur usé dans la zone de régénération, le procédé étant caractérisé en ce qu'on fait s'écouler le catalyseur régénéré provenant de la zone de régénération dans une zone de conditionnement du catalyseur en lit fluidisé dense en amont de la zone d'injection comportant une zone de désengagement de gaz, la vitesse de fluidisation par un gaz de fluidisation étant comprise entre 0,1 et 30 cm/s, on régule un flux de catalyseur s'écoulant gravitairement dans la zone d'injection, on injecte la charge dans la zone d'injection en dessous de l'organe de mise en forme du catalyseur, à contre-courant du sens de l'écoulement du catalyseur et sous un angle d'injection prédéterminé en fonction de la quantité de mouvement de la charge et de la quantité de mouvement du catalyseur et l'on fait s'écouler le mélange contenant la charge vaporisée dans la zone réactionnelle ou droppeur.
Le flux de catalyseur s'écoulant gravitairement à travers la restriction à section de passage variable ou constante est, en règle générale, compris entre 200 et 20 000 kg/m2.s et de préférence entre 1 000 et 10 000 kg/m2.s, une excellente plage de valeurs se situant entre 4 000 et 6 000 kg/m2.s.
Avantageusement, on peut injecter la charge par une pluralité d'injecteurs disposés tout autour de la paroi de la zone d'injection sous un angle inférieur ou égal à 30 degrés par rapport à l'horizontale et de préférence sous un angle de 5 à 25 degrés.
En général, l'angle d'injection β est déterminé de manière à ce que la résultante des vecteurs prenant en compte la quantité de mouvement de la charge et la quantité de mouvement du catalyseur soit sensiblement horizontale, par exemple à plus ou moins dix degrés autour de l'horizontale. Plus précisément, le rapport massique catalyseur sur charge dans la zone d'injection peut être compris entre 5 et 20, de préférence entre 10 et 18. La vitesse du catalyseur s'écoulant gravitairement par la restriction peut être de 0,1 à 20 m/s et avantageusement de 0,5 à 5 m/s, tandis que la vitesse des gouttelettes de charge atomisée est habituellement comprise entre 50 et 100 m/s et de préférence 70 à 90 m/s.
Un rideau de catalyseur peut être réalisé par exemple de deux façons :
  • Selon une première variante, on peut utiliser un organe de mise en forme dudit rideau, comportant une partie fixe accolée à la paroi de la zone d'injection et solidaire de celle-ci et une partie mobile centrale coopérant avec la partie fixe pour créer ladite restriction présentant une section de passage du catalyseur variable. La régulation du flux de catalyseur dans la zone d'injection pour un débit déterminé peut alors être réalisée en faisant varier la section de passage entre ladite partie fixe et ladite partie mobile dudit organe de mise en forme du catalyseur. Ce mode de régulation ajustable est particulièrement avantageux lors du démarrage de l'unité, qui comporte un régime transitoire.
  • Selon une deuxième variante, le rideau de catalyseur peut être réalisé par un organe de mise en forme comportant une partie fixe centrale coopérant avec la paroi de la zone d'injection ou avec une partie fixe accolée à ladite paroi. La partie centrale, fixe ou mobile selon la variante, de forme avantageusement conique ou tronconique détermine avec la paroi habituellement cylindrique une restriction de section de passage du catalyseur constante ou variable selon le cas et de préférence annulaire. Bien évidemment, la partie centrale fixe ou mobile pourrait être de forme cylindrique, sphérique ou ovoïde. De tels organes de mise en forme du catalyseur sont décrits dans le brevet de la demanderesse (FR 2631857) incorporé comme référence, qui enseigne de plus une injection de charge perpendiculaire à la direction de l'écoulement du catalyseur.
  • Selon une troisième variante, le catalyseur peut traverser une restriction sur ledit organe de mise en forme, présentant une section de passage sensiblement constante mais de forme circulaire.
On peut ajuster le débit de catalyseur dans la zone d'injection, au moyen d'une vanne à ouverture variable qui peut être celle selon la première variante, ou un vanne à ouverture variable disposée sur la ligne d'introduction du catalyseur régénéré et chaud du régénérateur vers la zone de conditionnement. Cette vanne est par ailleurs asservie à une sonde de température en sortie du droppeur.
Selon une caractéristique du procédé, la zone de conditionnement du catalyseur peut comporter une zone de désengagement du gaz du catalyseur au dessus du niveau du lit fluidisé dense, de hauteur comprise entre le tiers et la moitié de la hauteur totale de la zone de conditionnement. On peut équilibrer les pressions dans la zone de conditionnement et dans la zone de régénération au moyen d'une ligne d'équilibrage de pressions raccordant la zone de désengagement à la partie supérieure de la zone de régénération. Dans ces conditions, les hauteurs des lits fluidisés denses dans la zone de conditionnement et dans la zone de régénération sont sensiblement au même niveau.
Comme le gaz peut se désengager facilement du catalyseur dans un volume suffisamment important de la zone de désengagement, il n'y a sensiblement pas de bulles de gaz de fluidisation qui remontent dans la conduite d'alimentation en catalyseur en provenance du régénérateur et donc on ne constate pas de perturbation de l'écoulement des solides.
La chambre d'injection de la zone réactionnelle est en général dimensionnée pour recevoir une masse donnée de catalyseur telle que le temps de séjour dans cette zone est habituellement compris entre 0,02 s et 0,5 s et de préférence compris entre 0,03 s et 0,1 s.
Le catalyseur peut être un de ceux connus de l'homme du métier, par exemple ceux cités dans le brevet US 5296131.
L'organe d'introduction de la charge d'hydrocarbures peut être n'importe quel organe bien connu de l'homme du métier permettant l'introduction d'une charge d'hydrocarbures de préférence sous forme de gouttelettes ayant de préférence un diamètre moyen inférieur à 5x10-4 mètre (m) et avantageusement inférieur à 1x10-4 (m). Il est préférable que la charge d'hydrocarbures soit introduite de manière à former des fines gouttelettes réparties de façon homogène au niveau de la zone d'introduction. Un fluide auxiliaire dit d'atomisation favorisant l'obtention de fines gouttelettes peut également être introduit avec la charge d'hydrocarbures. Ce fluide auxiliaire sera habituellement un gaz tel que la vapeur d'eau, ou un gaz relativement riche en hydrogène ou en composés hydrogénés en provenance d'autres unités de la raffinerie.
L'atomisation est en général effectuée à l'extérieur de la zone réactionnelle.
Les injecteurs de type conventionnel débouchent habituellement, par leur extrémité, à l'intérieur de la zone d'injection. Le jet de gouttelettes de charge de dimension sensiblement égale à celle des particules et sous un angle d'injection selon l'invention, brise le rideau tombant ou la veine tombante de catalyseur.
Ces injecteurs sont habituellement disposés à la périphérie de la zone d'injection, sous l'organe de mise en forme du catalyseur et leur extrémité se situe dans au moins un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de la zone d'injection ou du droppeur.
La distance de ces injecteurs, comptée à partir des points d'impact théorique des jets de charge sur l'axe de la zone d'injection (ou de la zone réactionnelle), au point le plus bas de l'organe de mise en forme du catalyseur est au plus égale à 2 fois le diamètre de la zone d'injection.
De préférence, cette distance peut être de 0,5 à 1 fois le diamètre de la zone d'injection.
L'optimisation de cette distance et de l'angle d'injection de la charge à contre courant combinée avec l'optimisation des flux de catalyseurs s'écoulant par la restriction permet notamment d'améliorer la sélectivité en essence.
L'invention concerne aussi une unité de craquage catalytique à réacteur descendant ou droppeur pour craquer catalytiquement une charge hydrocarbonée en présence d'un catalyseur de craquage et pour produire un effluent de produits légers et du catalyseur de craquage coké. L'unité comprend un organe présentant une restriction pour la mise en forme du catalyseur en amont du droppeur, une alimentation en charge communiquant avec une chambre d'injection à la partie supérieure du droppeur et mettant en contact la charge avec le catalyseur mis en forme, une enceinte de séparation des effluents du catalyseur coké à la partie inférieure du droppeur et au moins une enceinte de régénération du catalyseur coké communiquant avec l'enceinte de séparation et une ligne d'alimentation de catalyseur régénéré reliant l'enceinte de régénération à l'organe de mise en forme du catalyseur, ladite unité étant caractérisée en ce qu'elle comporte une enceinte de conditionnement du catalyseur régénéré en lit fluidisé dense connectée entre le régénérateur et l'organe de mise en forme du catalyseur, ladite enceinte comprenant des moyens de fluidisation et ayant une zone de désengagement du catalyseur du gaz, de volume approprié à la partie supérieure de ladite enceinte, qui communique par une ligne d'équilibrage de pressions avec la partie supérieure de l'enceinte de régénération, et en ce que la chambre d'injection de la charge comporte une pluralité d'injecteurs reliés à la ligne d'alimentation en charge et introduisant la charge à contre-courant de l'écoulement du catalyseur, en dessous de l'organe de mise en forme du catalyseur, vers l'axe de ladite chambre sous un angle inférieur ou égal à 30 degrés par rapport à l'horizontale.
L'invention sera mieux comprise au vu de la figure illustrant schématiquement le procédé et le dispositif selon un axe longitudinal.
Selon la figure 1, un dispositif 1 de craquage catalytique en lit fluidisé entraíné connu en soi comprend essentiellement un droppeur (réacteur descendant) 13 alimenté en sa partie supérieure par du catalyseur conditionné dans une enceinte de conditionnement 2. Cette enceinte est alimentée en catalyseur par une ligne 3 oblique, provenant d'une zone de régénération qui contient dans le cas précis deux régénérateurs 4 et 17 en lit fluidisé, superposés.
Le droppeur est alimenté dans sa partie supérieure par une charge introduite par des injecteurs 12 et vaporisée au contact du catalyseur régénéré chaud (780 °C environ). Les effluents sont séparés du catalyseur dans un strippeur 14 connu en soi, évacués par une ligne 15 tandis que le catalyseur une fois strippé par de la vapeur d'eau par exemple et contenant du coke est recyclé dans le premier régénérateur 17 par une ligne de recyclage 16. Le catalyseur régénéré en partie, en présence d'un gaz contenant de l'oxygène est remonté dans le second régénérateur 4 par un lift 25, où il subit une seconde combustion en présence d'un gaz contenant de l'oxygène. On ne discutera pas de la présence de cyclones ou des moyens de fluidisation dans le séparateur ou les régénérateurs qui sont bien connus de l'homme du métier, et qui ne sont pas représentés sur la figure par souci de simplification.
Plus précisément, le catalyseur régénéré et chaud provenant de la seconde zone de régénération en phase fluidisée dense est introduit gravitairement par la ligne 3 inclinée dans l'enceinte de conditionnement 2 en lit fluidisé dense en amont du droppeur 13.
Un anneau 5 de fluidisation alimente en un gaz de fluidisation 5a qui peut être de la vapeur d'eau, la partie inférieure de l'enceinte de conditionnement du catalyseur à une vitesse de 10 cm/s. Le catalyseur présente alors une masse volumique par exemple comprise entre 550 et 800 kg/m3 et typiquement de 600 kg/m3.
L'enceinte 2 de conditionnement du catalyseur est dimensionnée de façon à présenter dans sa partie supérieure une zone 8 de désengagement du gaz du catalyseur, située au dessus de l'arrivée de la ligne 3 et de hauteur comprise entre le tiers et le quart de la hauteur totale de l'enceinte de conditionnement. Une ligne 9 d'équilibrage des pressions relie la zone de désengagement à la partie supérieure du second régénérateur.
Dans ces conditions, le niveau 7 du lit fluidisé dans le second régénérateur contrôlé par une sonde de niveau 23 et asservi par un régulateur 24 au débit d'air de remontée (lift) du catalyseur, correspond sensiblement à celui 6 du lit fluidisé dans l'enceinte de conditionnement.
En aval de l'enceinte de conditionnement 2, le dispositif comporte une chambre d'injection 10 de diamètre au moins égal à celui du droppeur, à l'entrée de laquelle une vanne 11 de régulation de flux ou vanne de mise en forme d'un rideau tombant de catalyseur laisse s'échapper, par sa section annulaire d'ouverture ou restriction, un flux de catalyseur d'environ 800 kg/m2.s.
Cette vanne peut avoir une partie centrale fixe ou insert qui détermine avec la paroi de la zone d'injection la section de passage du flux de catalyseur déterminée en combinaison avec une autre vanne de régulation de débit 19 sur la ligne d'admission de catalyseur 3.
La vanne de mise en forme du rideau, selon une autre variante non représentée, peut comporter une partie centrale mobile reliée à une tige, selon le brevet FR 2631857, cette tige étant protégée du catalyseur par une gaine contenant un gaz de balayage. Ladite partie centrale mobile de la vanne détermine avec son siège une section de passage annulaire adéquate pour un débit donné de catalyseur délivré par la vanne de régulation 19 et donc un flux approprié.
La chambre d'injection présente en général un diamètre plus grand que celui de la restriction (le plus grand diamètre du rideau annulaire de catalyseur formé) de sorte que les embouts d'injecteurs de charge n'interceptent pas le rideau de catalyseur.
La charge, après avoir été atomisée à l'extérieur du dispositif, est injectée par une pluralité d'injecteurs 12 disposés à la périphérie, sur un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe du droppeur et dont le jet de gouttelettes de charge est dirigé vers ledit axe selon un angle d'injection voisin de 25 degrés d'angle sous la vanne 11, à contre courant du rideau tombant de catalyseur, ce qui permet de le briser.
La distance des injecteurs, comptée à partir des points d'impact théorique des jets de charge sur l'axe de la chambre d'injection (ou du droppeur), au point le plus bas de l'organe de mise en forme du rideau de catalyseur est au plus égale à 2 fois le diamètre de l'enceinte d'injection et de préférence comprise entre 0,5 et 1 fois ce diamètre.
Cet éloignement des injecteurs par rapport à la vanne 11 évite d'une part l'érosion de la vanne et d'autre part les zones de recirculation au dessus des injecteurs, du catalyseur et/ou de la charge.
La charge est ainsi vaporisée au contact du catalyseur chaud et le mélange peut s'écouler ensuite vers le bas dans le droppeur 13 où s'effectue la réaction de craquage. Ce droppeur peut avoir un diamètre inférieur à celui de l'enceinte d'injection.
Les effluents de craquage sont recueillis après strippage à la vapeur d'eau par la ligne 15 et le catalyseur est recyclé vers le premier régénérateur 17.
La vanne de régulation de débit 19 est en général asservie par une ligne 22 à une mesure de température 20 donnée par une sonde 21 disposée à l'extrémité inférieure du droppeur.
Le démarrage de l'unité est en général réalisé en fermant la restriction 11 à flux variable ou en fermant une vanne tout ou rien non représentée sur la figure, placée par exemple en dessous de l'organe 11, lorsque celui-ci, à partie centrale fixe, détermine une section de passage constante de catalyseur.
Ces opérations permettent de remplir l'enceinte de conditionnement du catalyseur au niveau adéquat grâce à la vanne de débit 19 et à la ligne d'équilibrage des pressions 9.
La partie de l'organe de mise en forme du catalyseur en regard avec la charge injectée peut présenter une forme concave et ainsi déterminer une zone de confinement pour la vaporisation de celle-ci susceptible d'améliorer la sélectivité de la réaction de craquage.
Exemple
On introduit une charge pétrolière ayant une densité d 15 / 4 = 0,95 et une température à 50 % de distillat T50 = 510 °C dans un craqueur catalytique descendant, dans les conditions opératoires selon l'invention suivante :
  • Catalyseur : de type Octa 4 de Grace Davidson
  • Masse volumique du grain : 1280 Kg/m3
  • Diamètre moyen : 75 micromètres
  • Débit de catalyseur : 1 t/h
  • Rapport massique catalyseur sur charge : c/o = 17
  • Vitesse de fluidisation dans la zone de conditionnement : 15 cm/s correspondant à une masse volumique de 580 kg/m3.
  • Flux de catalyseur s'écoulant à travers la section de passage annulaire : 980 kg/m2.s
  • Vitesse des gouttelettes de charge atomisée : 70 m/s
  • Température de sortie du second régénérateur égale à la température de la zone de conditionnement du catalyseur : 780 °C
  • Température en sortie du droppeur : 550 °C.
    • La distance selon l'axe des injecteurs de charge par rapport à l'insert (point le plus bas) est de 0,5 fois le diamètre de la chambre d'injection.
    Le tableau comparatif suivant montre l'influence de l'angle d'injection de la charge, les autres paramètres opératoires restant constants :
    Rendement en % poids Injection à co-courant Injection à contre courant Injection à courant croisé
    β = -10 degrés β = 35 degrés β = 22 degrés β = 0 degré
    LPG + gaz secs 22,5 26 24 23
    Essence C5 → 210 °C 39,0 41 41 40
    LCO 210 °C - 380 °C 18,5 17 17,6 18,5
    Slurry 380 °C+ 12,0 8 9,6 11
    Coke 8 8 7,8 7,5
    L'exemple montre l'avantage d'une injection de la charge à contre courant du catalyseur (β = 22 degrés) par rapport à une injection à co-courant ou à une injection à contre-courant mais sous un angle supérieur à 30 degrés, combinée à l'introduction dans la chambre d'injection d'un catalyseur, sous forme d'un rideau, de masse volumique et de flux appropriés.
    On favorise ainsi la conversion des produits lourds au profit des coupes légères plus valorisables (essence et LPG), grâce à un meilleur contact du catalyseur chaud et des gouttelettes de charge.

    Claims (16)

    1. Procédé de craquage catalytique en lit fluidisé d'une charge pétrolière en effluents plus légers dans une zone de craquage catalytique comprenant une zone (13) réactionnelle ou droppeur dans laquelle on introduit, à une extrémité supérieure appelée zone (10) d'injection, du catalyseur régénéré en provenance d'au moins une zone (4) de régénération, on fait s'écouler le catalyseur régénéré provenant de la zone (4) de régénération dans une zone (2) de conditionnement du catalyseur en lit fluidisé dense en amont de la zone d'injection comportant une zone (8) de désengagement de gaz, la vitesse de fluidisation par un gaz de fluidisation étant comprise entre 0,1 et 30 cm/s, on régule un flux de catalyseur s'écoulant gravitairement dans la zone d'injection, on met en forme le catalyseur au moyen d'un organe (11) de mise en forme présentant une restriction, on met en contact le catalyseur avec la charge, on forme un mélange s'écoulant vers le bas de catalyseur et de charge, et on vaporise au moins la majorité de la charge dans ladite zone d'injection, on craque ladite charge pour obtenir les effluents plus légers, on sépare les effluents du catalyseur usé dans une zone (14) de séparation à l'extrémité inférieure, on récupère les effluents, on recycle le catalyseur usé dans la zone de régénération, le procédé étant caractérisé en ce qu'on injecte la charge dans la zone d'injection en dessous de l'organe de mise en forme du catalyseur, à contre-courant du sens de l'écoulement du catalyseur et sous un angle d'injection prédéterminé en fonction de la quantité de mouvement de la charge et de la quantité de mouvement du catalyseur et l'on fait s'écouler le mélange contenant la charge vaporisée dans la zone réactionnelle.
    2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le rapport massique c/o (catalyseur sur charge) dans la zone d'injection est compris entre 5 et 20 et de préférence entre 10 et 18.
    3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la vitesse du catalyseur dans la zone d'injection est de 0,1 à 20 m/s et de préférence 0,5 à 5 m/s et la vitesse de la charge atomisée est de 50 à 100 m/s et de préférence 70 à 90 m/s.
    4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel on réalise un rideau de catalyseur au moyen de l'organe de mise en forme du catalyseur qui comporte une partie fixe solidaire de la paroi de la zone d'injection et une partie mobile centrale coopérant avec ladite partie fixe pour créer ladite restriction présentant une section de passage variable.
    5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel on régule le flux de catalyseur pour un débit déterminé dans la zone d'injection en faisant varier la section de passage entre la partie fixe et la partie mobile dudit organe de mise en forme du catalyseur.
    6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel on fait s'écouler gravitairement le catalyseur par l'organe de mise en forme du catalyseur qui comporte ladite restriction présentant une section de passage constante.
    7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel on fait s'écouler à travers la section de passage un flux de catalyseur compris entre 200 et 20 000 kg/m2.s et de préférence entre 1 000 et 10 000 kg/m2.s.
    8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel le temps de séjour dans la zone d'injection de la charge est compris entre 0,02 s et 0,5 s.
    9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel la zone de conditionnement du catalyseur comporte la zone (8) de désengagement de gaz au dessus du lit fluidisé dont le niveau s'établit sensiblement autour de celui du lit fluidisé dans la zone de régénération et de hauteur comprise entre le quart et la moitié de la hauteur totale de la zone de conditionnement du catalyseur et dans lequel on équilibre les pressions dans la zone de conditionnement et dans la zone de régénération au moyen d'une ligne (9) d'équilibrage raccordant la zone de désengagement à la partie supérieure de la zone de régénération.
    10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel l'angle d'injection de la charge est inférieur ou égal à 30 degrés, la valeur d'angle zéro étant exclue, et de préférence compris entre 5 et 25 degrés.
    11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10 dans lequel la zone d'injection a un diamètre supérieur ou égal à celui de la zone réactionnelle.
    12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11 dans lequel la distance des injecteurs de charge comptée à partir des points d'impact théorique des jets de charge sur l'axe de la zone d'injection (ou de la zone réactionnelle), au point le plus bas de l'organe de mise en forme du catalyseur est au plus égale à 2 fois le diamètre de la zone d'injection.
    13. Unité de craquage catalytique comprenant un droppeur (13) pour craquer catalytiquement une charge hydrocarbonée en présence d'un catalyseur de craquage et pour produire un effluent de produits légers et du catalyseur de craquage coké, au moins une enceinte (4) de régénération de catalyseur coké, une enceinte (2) de conditionnement du catalyseur régénéré en lit fluidisé dense connecté entre le régénérateur et un organe (11) de mise en forme du catalyseur, ladite enceinte de conditionnement comprenant des moyens (5) de fluidisation et ayant une zone (8) de désengagement du catalyseur du gaz, de volume approprié à la partie supérieure de ladite enceinte, qui communique par une ligne (9) d'équilibrage de pressions avec la partie supérieure de l'enceinte de régénération, ledit organe (11) présentant une restriction pour la mise en forme du catalyseur en amont du droppeur, une alimentation en charge communiquant avec une chambre (10) d'injection à la partie supérieure du droppeur et mettant en contact la charge avec le catalyseur mis en forme, une enceinte (14) de séparation des effluents du catalyseur coké à la partie inférieure du droppeur et communiquant avec l'enceinte de régénération, ladite unité étant caractérisée en ce que la chambre (10) d'injection de la charge comporte une pluralité d'injecteurs (12) introduisant la charge à contre-courant de l'écoulement du catalyseur, en dessous de l'organe de mise en forme du catalyseur, vers l'axe de ladite chambre sous un angle inférieur ou égal à 30 degrés par rapport à l'horizontale.
    14. Unité selon la revendication 13 dans laquelle l'organe de mise en forme du catalyseur comporte une partie fixe solidaire de la paroi de la zone d'injection et une partie mobile centrale coopérant avec ladite partie fixe pour créer ladite restriction et former un rideau de catalyseur.
    15. Unité selon la revendication 13, dans laquelle l'organe de mise en forme du catalyseur comporte une restriction de section de passage du catalyseur constante.
    16. Unité selon l'une des revendications 13 à 15, dans laquelle la distance des injecteurs de charge comptée à partir des points d'impact théoriques des jets de charge sur l'axe de la zone d'injection (ou de la zone réactionnelle), au point le plus bas de l'organe de mise en forme du catalyseur est au plus égale à 2 fois le diamètre de la zone d'injection.
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