EP4453148A1 - Dispositif de séparation gaz-liquide avec une zone d'accompagnement du liquide en sortie, notamment pour réacteur en lit fluidisé triphasique - Google Patents

Dispositif de séparation gaz-liquide avec une zone d'accompagnement du liquide en sortie, notamment pour réacteur en lit fluidisé triphasique

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EP4453148A1
EP4453148A1 EP22835319.9A EP22835319A EP4453148A1 EP 4453148 A1 EP4453148 A1 EP 4453148A1 EP 22835319 A EP22835319 A EP 22835319A EP 4453148 A1 EP4453148 A1 EP 4453148A1
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EP
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liquid
gas
accompanying
axis
separation
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Application number
EP22835319.9A
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German (de)
English (en)
Inventor
Benjamin AMBLARD
Joao MARQUES
Vanessa VINCENT-GENOD
Driss AIT-MHAND
Jean-François Le Coz
Pierre BALZ
Rim BRAHEM
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Publication date
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    • C10G2300/4012—Pressure

Definitions

  • the invention consists of improving the design of gas-liquid separators used in particular in an H-OilTM process, with a view to obtaining better gas-liquid separation in the upper zone of the reactor, often called the liquid recycling zone, or more simply recycling zone or recycle zone.
  • the H-OilTM process is a process for the hydroconversion of heavy hydrocarbon cuts, such as gas oil under vacuum or residues, which therefore brings together the liquid hydrocarbon phase, the hydrogen gas phase dispersed in the form of bubbles, and the catalyst itself. even dispersed in the form of solid particles of a size typically comprised between 0.2 and 2 millimeters.
  • the H-OilTM process is therefore a three-phase fluidized process which uses a specific reactor.
  • This reactor is equipped with a gas-liquid separation device located in the upper part of the reactor so as to allow the recycling of the liquid which is returned after separation to the reaction zone of the reactor.
  • One of the important characteristics of H-OilTM type reactors is their high liquid recycling rate defined as the ratio of the recycled liquid flow to the incoming liquid feed flow and which is generally located in the range of 1 to 10.
  • the present invention can be defined as an improved device for gas-liquid separation, in particular for reactors of the H-OilTM type which allow the reintroduction of the majority of the liquid without gas to the reaction zone, and the evacuation of the gas (and also part of the liquid) out of the reactor and which limits turbulence at the gas-liquid interface and foaming effects.
  • gas-liquid separation device can be used in other applications.
  • recycle cup also called “recycle cup” in English, described in this patent application corresponds to the upper part of the reactor which allows, after separation of the gas and the liquid, the return of the liquid to the reaction zone of the reactor, and evacuation of the gas through a dedicated pipe.
  • upper liquid recycling zone or more simply, recycling zone or recycling zone.
  • Figure 1 is a representative diagram showing the main elements of an H-OilTM reactor according to the prior art, such as that of US patent application 4,886,644. This figure makes it possible to visualize the reaction zone 22 corresponding to the three-phase fluidized bed containing the catalyst, the zone located above the catalytic zone called the gas-liquid separation zone 39 which allows the recycling of the liquid towards the lower part of the reactor by means of recycling pump 20.
  • the gas-liquid separation devices are represented by the separation elements 27 and 28, some elements having their lower end located in the gas-liquid separation zone 39, and other elements having their lower end located on the surface of the recycle cup 30.
  • the three-phase fluidized reactor 10 is designed in a specific manner with suitable materials allowing it to treat reactive liquids, liquid-solid "slurries", (i.e. suspensions, i.e. liquids containing fine solid particles dispersed therein), solids and gases at high temperature and pressure with a preferred application for the treatment of liquid hydrocarbon fractions with hydrogen at high temperature and high pressure, that is to say at an absolute pressure between 2 MPa and 35 MPa, preferably between 5 MPa and 25 MPa, and more preferably between 6 MPa and 20 MPa, and at a temperature between 300° C. and 550° C., preferably between 350° C. C and 500°C, and more preferably between 370°C and 460°C, the preferred temperature range being between 380°C and 440°C.
  • the H-OilTM 10 type three-phase fluidized reactor is designed with an appropriate inlet pipe 12 for the injection of a heavy hydrocarbon feedstock 11 and a gas 13 containing hydrogen.
  • the outlet ducts are positioned in the upper part of the reactor 10.
  • the outlet duct 40 is designed to draw off vapors which may contain a certain quantity of liquid, and optionally the duct 24 makes it possible to draw off mainly liquid.
  • the reactor also contains a system allowing the introduction and withdrawal of catalyst particles corresponding schematically to line 15 for the introduction of fresh catalyst 16, and line 17 for the withdrawal of spent catalyst 14.
  • the heavy hydrocarbon charge is introduced through line 11, while the gas containing hydrogen is introduced through line 13.
  • the charge and hydrogen mixture gas is then introduced into the reactor 10 through the conduit 12 in the lower part of the reactor.
  • Incoming fluids pass through a tray 18 containing suitable distributors.
  • distributors of the "bubble cap” type 19 are shown, but it is understood that any distributor known to those skilled in the art allowing the fluids coming from the conduit 12 to be distributed over the entire surface of the reactor 10, and this of the most homogeneous way possible, can be used.
  • the gas-liquid mixture flows upwards and the catalyst particles are entrained in a bubbling bed motion by the gas flow and the liquid flow induced by the recirculation pump 20 which may be internal or external to the reactor 10 .
  • the upward flow of liquid delivered by the pump 20 is sufficient to cause the volume of the catalyst bed in the reaction zone or catalyst bed 22 to expand by at least 10%, preferably 20 to 100% by volume. static (that is to say at rest) of the catalyst bed, thus allowing the flow of gas and liquid through the reactor 10, as shown by the direction arrows 21 .
  • the bed of catalyst particles reaches a high level of expansion while the liquid and the lighter gases continue to flow to the top of the reactor 10 beyond this solid level.
  • the level of maximum expansion of the catalyst corresponds to the interface 23.
  • the catalytic reaction zone 22 which therefore extends from the plate 18 to the level 23 and which comprises the catalyst.
  • the interface 23 is an area 39 containing only gas and liquid.
  • the catalyst particles in the catalytic reaction zone 22 are in random motion in the fluidized state, which is why the catalytic reaction zone 22 is referred to as a three-phase fluidized zone.
  • Zone 29 with a low concentration of catalyst above the level of interface 23, is filled with liquid and entrained gas.
  • the gas is separated from the liquid in the upper part of the reactor called the "recycle zone" 39 in order to collect and recycle most of the liquid through the central outlet channel 25 at the bottom of the recycle cup 30.
  • the shape of the recycle cup 30 (in a funnel) makes it possible to collect the liquid after the separation between the gas and the liquid and to convey it to the central outlet channel 25. It is important that the liquid recycled to through the central outlet channel 25 contains as little gas as possible, or even no gas at all, to avoid the phenomenon of cavitation of the pump 20.
  • the liquid products remaining after the gas-liquid separation can be withdrawn through line 24.
  • Line 40 is used for gas withdrawal.
  • conduit 25 forms the liquid recycling zone.
  • the gas-liquid mixture flows upwards through the conduits of the separating elements 27 and 28. Part of the separated liquid is then directed to the recycling pump 20 in the direction of the arrow 31 through the outlet channel central 25, and is therefore recycled to the lower part of the reactor 10 below the plate 18.
  • the gas separated from the liquid flows towards the upper part of the reactor 10 and is withdrawn through the upper conduit 40.
  • the withdrawn gas 40a is then treated in a conventional manner to recover as much hydrogen as possible so that the latter is recycled to the reactor through line 13.
  • patent application US 2019/270 941 which relates to an improved gas-liquid separation device for a three-phase fluidized reactor of the H-OilTM type.
  • This gas-liquid separation device ends with a succession of two bends so as to improve the separation of the liquid phase and the gas phase, as in Figures 2 and 3.
  • Figure 2 is a more precise diagram of the recycling zone 39 of application US2019/270 941 in a reactor such as that of Figure 1.
  • FIG. 2 represents the liquid recycling zone which ends with a central outlet channel 25 which, after gas-liquid separation, brings the liquid back to the lower part of the reactor via the recycling pump.
  • the liquid gas separation elements 27 and 28 are located along the conical surface 30 of the recycling zone.
  • the entry of the gas-liquid mixture takes place through the inlet ducts 70.
  • the gas-liquid separation takes place in the separation devices 55.
  • Each separation device 55 therefore consists of the tubular element for inlet of the gas mixture liquid 70 ending in the succession of two bends located in two distinct planes, as illustrated in figure 3:
  • the first noted plane (yz) is perpendicular to the x axis
  • the second plane noted (xy) is perpendicular to the z axis.
  • the vertical dimension (along the z axis) of the first elbow, and the vertical dimension (along the z axis) of the second elbow are substantially the same. Substantially means a vertical deviation that does not exceed the value D of the diameter of the gas-liquid mixture inlet pipe 70.
  • the liquid flowing after leaving the separation elements along the conical wall 30 is collected by the central outlet channel 25, and the gas is discharged through the outlet of the second elbow of each separation element 27 and 28.
  • the gas therefore occupies the upper zone 39v of the separation zone 39 located above the gas-liquid interface 24 and leaves the reactor through the outlet conduit 67.
  • the gas and liquid have an upward flow shown by the direction arrow 41 in Figure 2 and are introduced through the inlet ducts 70 where they undergo a direction change of approximately 90° in both the first elbow and the second elbow terminating the separation elements 27 and 28.
  • the gas-liquid interface level 24 separates the upper part 39v mainly containing the separated gas, from the lower part 39L mainly containing the recycled liquid.
  • the various separated liquids 45 from the second elbow of the separation elements 27 and 28 flow downwards through the intermediary of the conical wall 30, and are collected by the central outlet channel 25 to be taken up by the recycling pump. (not shown).
  • the conduit 40 generally has slots 65 in its lower end which make it possible to fix the height of the gas-liquid interface 24.
  • Figure 3 shows the geometry of a gas-liquid separation device in accordance with US application 2019/270 941, and shows the important geometric dimensions for the dimensioning of this device.
  • the diameter of the inlet duct 70 of each separation element is generally between 0.02 m and 0.5 m, preferably between 0.05 m and 0.4 m, and more preferably between 0.1 m and 0.3m.
  • the superficial liquid velocity of the upward flow represented by the direction arrow 41 in FIG. 1 is generally between 0.1 m/s and 20 m/s, preferably between 0.2 m/s and 15 m/s. s, and preferably between 0.3 m/s and 10 m/s.
  • the first elbow located in the plane (yz) has its orientation defined by its angle a.
  • the value of the angle a is between 45° and 315°, preferably between 60° and 300° and preferably between 80° and 200°.
  • the second elbow located in the plane (xy) has its orientation defined by its angle p.
  • the value of the angle p is between 0° and 135°, preferably between 10° and 110° and preferably between 30° and 100°.
  • the height H1 between the liquid gas interface 24 and the second bend in the plane (xy) is between D and 10D, and preferably between 2D and 5D, D being the diameter of the pipe 70.
  • the distance D1 separating the two successive bends is between D/2 and 4D and preferably between D/2 and 2D, D being the diameter of the pipe 70.
  • the present invention thus consists in limiting the turbulence generated by the gas-liquid separation device and in minimizing the generation of foam. This thus makes it possible to minimize the risk of entrainment of gas bubbles by the liquid which is recirculated towards the pump in order to be reintroduced into the reactor, these bubbles being likely to generate cavitation at the level of the pump, which could also damage the pump and limit its life.
  • the invention relates to a gas-liquid separation device, in particular to be installed in the recycle zone of a three-phase fluidized reactor used in a process for the hydroconversion of heavy hydrocarbon cuts in the presence of hydrogen under high pressure.
  • the recycle zone consisting of the upper hemisphere of the reactor and limited at the lower part by a surface configured to allow the return to the catalytic zone of the separated liquid.
  • the gas-liquid separation device according to the invention comprises a plurality of separation elements operating in parallel and installed vertically, preferably from the surface configured to allow the return to the catalytic zone of the separated liquid or passing through this surface when the device is installed in the recycle zone of a three-phase fluidized reactor, each separation element having an (individual) inlet conduit for the gas-liquid mixture.
  • each separation element can be open on the surface configured to allow the return (that is to say the recycling ) in the catalytic zone of the separated liquid (eg conical or hemispherical) and each separation element rises to a height H inside the separation zone.
  • each separation element comprises a succession of at least two elbows positioned (fixed) at the outlet (in the direction of fluid flow) of the inlet duct, a first elbow located in the plane (zy) defined by the substantially vertical axis z, and an axis y belonging to the plane (xy) perpendicular to the axis z, the axis of the first elbow being defined by a first orientation angle a with respect to the vertical axis z included between 45° and 315°, preferably between 60° and 300°, and preferably between 80° and 200°, and a second elbow whose axis forms a second orientation angle p with the axis of the first elbow between 1° and 135°, preferably between 10° and 110°, and preferably between 30° and 100°, the first two successive elbows (therefore the first elbow and the second elbow) being separated by a distance D1 between D/2 and 4D, and preferably between D/2 and 2D, D being the diameter of the inlet duct.
  • each separation element comprises a device for accompanying the liquid, the device for accompanying the liquid being positioned at the outlet end of the last bend of the succession of at least two bends, the device for accompanying the liquid being open at the top, all the way along the liquid accompanying device from an inlet section to an outlet section, at the top when the system is at the vertical axis (i.e. say when the inlet duct is vertical) and the outlet section of the liquid accompanying device being positioned vertically below the inlet section of the liquid accompanying device.
  • the invention relates to a gas-liquid separation device comprising a plurality of separation elements operating in parallel and installed vertically, each separation element having an inlet conduit for the gas-liquid mixture, and a succession of at least two elbows , a first elbow situated in the plane (zy) defined by the substantially vertical axis z, and an axis y belonging to the plane (xy) perpendicular to the axis z, the axis of the first elbow being defined by a first angle d orientation a with respect to the vertical axis z between 45° and 315°, preferably between 60° and 300°, and preferably between 80° and 200°, and a second bend whose axis forms a second orientation angle p with the axis of the first bend between 1° and 135°, preferably between 10° and 110°, and preferably between 30° and 100°, the first bend and the second bend being separated d a distance D1 comprised between D/2 and 4D, and preferably comprised between D/2 and 2D, D
  • each separation element comprises a device for accompanying the liquid, the device for accompanying the liquid being positioned at the outlet end of the last elbow of the succession of at least two elbows, the liquid accompanying device being open over its entire length, from its inlet section to its outlet section (all along the fluid distribution device) in the direction of circulation of the fluid in this distribution device fluid, and the outlet section of the liquid accompanying device being positioned vertically below the inlet section of the liquid accompanying device.
  • the gas-liquid separation device is configured to be installed in the recycle zone of a three-phase fluidized reactor used in a process for the hydroconversion of heavy hydrocarbon cuts in the presence of hydrogen under high pressure, the recycle zone consisting of the upper hemisphere of the reactor and limited at the lower part by a surface configured to allow the return to the catalytic zone of the separated liquid, and the distance separating the outlet end of the last bend from a gas-liquid interface in the recycle zone is between D and 10D, and preferably between 2D and 5D.
  • the second bend forms an angle with the plane (zy), comprised between 1° and 90°, preferably between 1° and 45°, and even more preferably between 1° and 20°.
  • the liquid accompanying device comprises at least one deflector and/or at least one slot.
  • the liquid accompanying device (the pipe portion of the liquid accompanying device) is open over an opening angle of between 60° and 179°, preferably between 90° and 150° and even more preferably between 100° and 130° relative to the neutral line.
  • the vertical height of the liquid accompanying device is between D/2 and 8D, preferably between 2D and 5D.
  • the inlet section of the liquid accompanying device and the outlet section of the liquid accompanying device form an angle of rotation in the plane (x,y), said angle of rotation being between 45° and 200°, preferably between 90° and 180°.
  • the exit section of the liquid accompanying device has an elliptical profile, an inverted elliptical profile or a flat profile (the exit section forms a straight line segment).
  • the invention also relates to a three-phase fluidized reactor for the hydroconversion of heavy hydrocarbon cuts in the presence of hydrogen under high pressure, the reactor comprising a recycle zone consisting of the upper hemisphere of the reactor and limited to the lower part by a surface configured to allow the separated liquid to return to the catalytic zone, the recycle zone comprising a gas-liquid separation device as described above.
  • the invention also relates to a process for the hydroconversion of heavy hydrocarbon cuts in a three-phase fluidized bed using the gas-liquid separation device of the invention, in which the operating conditions are as follows:
  • An absolute pressure between 2 MPa and 35 MPa, preferably between 5 MPa and 25 MPa, and even more preferably, between 6 MPa and 20 MPa, and at
  • a temperature between 300°C and 550°C, preferably between 350 and 500°C, and more preferably between 370°C and 430°C, the preferred temperature range being between 380°C C and 430°C.
  • the superficial velocity of the ascending flow inside each inlet duct is between 0.1 m/s and 20 m/s, preferentially between 0.2 m/s and 15 m/s, and more preferably between 0.3 m/s and 10 m/s.
  • the volume fraction of the liquid in the inlet duct is between 0.05 and 0.95, preferably between 0.1 and 0.8 and even more preferably between 0.3 and 0.6.
  • FIG. 1 represents a three-phase fluidized reactor with a gas-liquid separation device according to the prior art.
  • FIG. 2 represents a gas-liquid separation device in a three-phase fluidized reactor with a succession of two bends according to the prior art.
  • FIG. 3 represents a gas-liquid separation device with two bends according to the prior art.
  • FIG. 4 represents a gas-liquid separation device with a liquid accompanying device according to the invention.
  • FIG. 5 represents a first example of a device for accompanying liquid from a separation element of the gas-liquid separation device according to the invention.
  • FIG. 6 illustrates different variants of the liquid accompanying device of a separation element of the gas-liquid separation device according to the invention.
  • FIG. 7 represents the inlet section of the liquid accompanying device of a separation element of the gas-liquid separation device according to the invention.
  • FIG. 8 represents a first example of a semi-elliptical outlet section of the liquid accompanying device of a separation element of the gas-liquid separation device according to the invention.
  • FIG. 9 represents a second example of an inverted semi-elliptical outlet section of the liquid accompanying device of a separation element of the gas-liquid separation device according to the invention.
  • FIG. 10 represents a third example of an outlet section, flat, of the liquid accompanying device of a separation element of the gas-liquid separation device according to the invention.
  • FIG. 11 represents a comparison of the profiles of the liquid volume fraction at the level of the gas-liquid interface between a gas-liquid separation device ending in two elbows according to the prior art a) and a gas-liquid separation device with a device for accompanying the liquid according to the invention b).
  • the invention relates to a gas-liquid separation device in particular to be installed in the recycling zone of three-phase fluidized reactors used in the processes hydroconversion of heavy hydrocarbon cuts in the presence of hydrogen under high pressure, a process known as H-OilTM.
  • This device can be used in any type of equipment requiring gas-liquid separation.
  • the gas-liquid separation device can also be used in other systems where the separation between a gas and a liquid is necessary, for example in a separator of the ISS type for "Internai Stage Separator” (or intermediate separator in French) or of the HHPS type for “Hot and High Pressure Separator” (or high-pressure and high-temperature separator in French), these separators being used in processes for the hydroconversion of heavy hydrocarbon cuts.
  • three-phase fluidized bed process is meant a process in which three phases are present in the reaction zone: a liquid phase, generally constituting the feed to be treated, a gas phase under high pressure generally hydrogen, and a solid phase. corresponding to the catalyst divided into solid particles, usually with a diameter of between 0.2 mm and 2 mm, and preferably between 0.7 mm and 1.5 mm.
  • the three-phase fluidized reactor in which the gas-liquid separation device can be installed comprises a recycle zone consisting of the upper hemisphere of the reactor and limited at the lower part by a surface configured to allow the return to the catalytic zone of the separated liquid. , for example via a central outlet channel for collecting the separated liquid.
  • the surface configured to allow the return to the catalytic zone of the separated liquid can be conical or hemispherical for example.
  • the recycle zone of the three-phase fluidized reactor is thus broken down into an upper part comprising gas, and a lower part comprising liquid. These two zones are, in the reactor in operation, separated by a gas-liquid interface.
  • the gas-liquid separation device comprises a plurality of separation elements operating in parallel and implanted vertically (preferably from the surface configured to allow the return to the catalytic zone of the separated liquid or passing through this surface when the device is implanted in the recycle zone of a fluidized reactor three-phase) and each separation element has an inlet duct for the gas-liquid mixture (preferably open on the surface configured to allow the return to the catalytic zone of the separated liquid and rising up to a height H at the inside the separation zone when the device is installed in the recycle zone of a three-phase fluidized reactor) configured for a flow of the gas-liquid mixture descending, and a succession of at least two elbows, the successive elbows being fixed to each other.
  • the inlet duct is substantially vertical.
  • the succession of bends is positioned and fixed at the outlet of the inlet duct in the direction of circulation of the gas-liquid mixture in the separation element.
  • the terms “first”, “second”, “third”, “fourth”, “next”, “previous” or “last”, when associated with “elbow”, are understood in the direction of flow of the fluid in the succession of at least two bends.
  • the first bend will be the one which is crossed first by the fluid, in the direction of circulation of the fluid (gas-liquid mixture).
  • the succession of at least two bends is positioned at the outlet of the inlet duct so as to force the fluid leaving the inlet duct to pass through the succession of bends.
  • the passage in the succession of at least two elbows allows an effective separation of the liquid and the gas.
  • concave surface we mean a surface forming a hollow, that is to say a rounded shape towards the inside.
  • convex surface is meant a curved surface, that is to say rounded outwards.
  • the vertical axis is considered to point upwards; the angles considered in the present description are therefore given with respect to this orientation towards the top of the vertical axis.
  • the first elbow is located in the plane (zy) defined by the substantially vertical axis z, and an axis y belonging to the plane (xy) perpendicular to the axis z.
  • the (zy) plane is a substantially vertical plane
  • the (xy) plane is a substantially horizontal plane.
  • the axis of the first elbow is defined by a first angle of orientation a with respect to the vertical axis z (which corresponds substantially to the axis of the intake duct) of between 45 and 315°, preferably between 60° and 300°, and preferably between 80° and 200°.
  • the first elbow is attached to the outlet of the intake duct.
  • a second elbow is attached to the first elbow (at the opposite end of the one attached to the intake duct). In other words, it is in the extension of the first bend.
  • the axis of the second elbow forms a second orientation angle p with the axis of the first elbow.
  • the second orientation angle p is between 1° and 135°, preferably between 10° and 110°, and more preferably between 30° and 100°.
  • the second elbow is in a plane forming a non-zero angle with the plane (zy), for example, the second elbow can be in the substantially horizontal plane (xy).
  • the first and second bends are not coplanar.
  • these two successive elbows that is to say the first and second elbows
  • these two successive bends are separated by a distance D1 comprised between D/2 and 4D, and preferably comprised between D/2 and 2D, D being the diameter of the inlet duct.
  • the gas-liquid separation device of the invention may comprise between 10 and 50 separation elements, preferably between 20 and 40 separation elements, to improve the liquid separation capacities and some gas.
  • the number of separation elements depends in particular on the flow to be treated.
  • each separation element comprises a liquid accompanying device which can take the form of a slide.
  • the purpose of this liquid support device is to convey the liquid gently towards the outlet (the central outlet channel of the three-phase fluidized reactor for example).
  • the liquid support device is positioned at the outlet end (in the direction of the flow of the gas-liquid mixture) of the last bend in the succession of at least two bends.
  • the bends are successively attached to each other, and the accompanying device is attached to the outlet end of the last bend.
  • the succession of at least two elbows includes four elbows fixed to each other, the liquid support device is fixed to the fourth elbow; if the succession of at least two bends includes two bends fixed to each other, the liquid support device is fixed to the second bend.
  • the liquid accompanying device is open, on the top so as to let the gas escape upwards and to direct the liquid downwards.
  • the open part of the device for accompanying the liquid (of the pipe portion in particular) is positioned on the upper part allowing the gas to escape while the lower part of the device for accompanying the liquid (of the driving in particular) allows the guidance of the liquid.
  • the device accompanying the liquid may consist of a pipe portion going from the inlet section to the outlet section.
  • the liquid accompanying device is open (the pipe portion of the liquid accompanying device is open), on the top, so as to allow the distribution of the fluid all along (over the entire length) of the liquid accompanying device in the direction of circulation of the fluid in this liquid accompanying device from an inlet section to an outlet section.
  • the pipe portion is then open, over the entire length of the liquid accompanying device, the length being taken from the inlet section, to the outlet section along the neutral fiber of the liquid accompanying device.
  • portion of pipe refers to a part in the form of a pipe, the section of which is open over its entire length.
  • the outlet section of the liquid accompanying device is positioned vertically below the inlet section of the liquid accompanying device.
  • the accompanying device guides the liquid downwards in the desired direction.
  • the accompanying device makes it possible both to direct the liquid in the desired direction (towards the outlet channel for recirculation towards the pump of the three-phase fluidized reactor for example), by bringing it gently in this direction and thus to limit the turbulence and foaming phenomena.
  • the device for accompanying the liquid may in particular comprise a change of direction, preferably continuous and without discontinuity in slope) from the inlet section and to the outlet section, in the direction fluid flow through the device.
  • the section of the liquid accompanying device can be constant along the liquid accompanying device (over the entire length of the liquid accompanying device) from the inlet section to the outlet section. exit.
  • the section of the liquid accompanying device can vary continuously and without discontinuity from the inlet section to the outlet section, along the liquid accompanying device (over the entire length of the device). accompaniment of the liquid).
  • the liquid accompanying device forms a slide from the inlet section to the outlet section.
  • the pipe portion is open on the top, the lower part of the pipe portion conducting the liquid by gravity and the gas being able to escape from the top, thanks to the opening, on the top of the pipe portion.
  • the distance H1 separating the outlet end of the last bend of the succession of at least two bends of a gas-liquid interface can be between D and 10D, and preferably between 2D and 5D. This effectively separates gas and liquid.
  • the second elbow can form an angle with the plane (zy), comprised between 1° and 90°, preferably between 1° and 45° and even more preferably between 1° and 20°.
  • the second elbow is not in a coplanar plane with that of the first elbow.
  • the liquid accompanying device can comprise at least one deflector (preferably several deflectors) and/or at least one slot (preferably several slots).
  • deflectors makes it possible to improve the distribution of the liquid on the section of the accompanying device, avoiding a concentration of the liquid in the lowest part. As a result, the acceleration of the liquid can be limited.
  • slits also breaks the velocity of the liquid so as to channel it gently towards the outlet and improve the distribution of the liquid.
  • the liquid accompanying device (particularly the pipe portion) can be opened at an opening angle of between 60° and 179°, preferably between 90° and 150° and even more preferably between 100° and 130° relative to the neutral line (the axis of the pipe portion, for example).
  • This opening angle makes it easier to evacuate the gas and to have a section large enough to effectively guide the liquid.
  • the vertical height of the liquid accompanying device can be between D/2 and 8D, preferably between 2D and 5D.
  • the exit section of the liquid accompanying device is above the gas-liquid interface and the height of the liquid accompanying device is sufficient so that the device liquid guide acts similar to a slide for the liquid to guide it to the exit.
  • the angle of rotation formed between the inlet section of the liquid accompanying device and the outlet section of the liquid accompanying device, in the substantially horizontal plane (xy), can be between 45 ° and 200°, preferably between 160° and 190°.
  • the liquid can be effectively directed towards the central outlet channel of the three-phase fluidized reactor.
  • the liquid accompanying device comprises a continuous and seamless surface from the inlet section to the outlet section so as to gradually direct the liquid arriving from the inlet section to the outlet section.
  • the accompanying device thus forms a rounded (or curved) profile.
  • the outlet section of the liquid accompanying device can be larger than the inlet section of the liquid accompanying device. This widening of section therefore makes it possible to increase the contact surface between the liquid and the liquid accompanying device. Thus, the speed of the liquid at the outlet of the accompanying device can be limited.
  • the inlet section of the liquid accompanying device is semi-circular (or semi-toric) with a diameter DD
  • the outlet section of the liquid accompanying device can be semi-circular with a diameter between 1.2 DD and 2 DD.
  • the outlet section of the liquid accompanying device can be concave or convex or flat.
  • it can have a circular (or toric) or elliptical profile.
  • it can have an inverted elliptical or flat profile (i.e. forming a line segment).
  • the concave sections facilitate the guiding of the liquid by requiring the liquid to be guided in the center of this section.
  • the circular profile is simple to make.
  • the elliptical profile makes it possible to limit the local concentration of the liquid in the center of the profile compared to the circular profile.
  • the part on which the liquid is carried is widened and as a result, the speed of the liquid and its inertia can be limited, in particular with a view to its impact on the gas-liquid interface.
  • the concave sections can also effectively distribute the liquid all around the accompanying device.
  • the convex sections allow the liquid to be efficiently distributed all around the liquid accompanying device. By increasing the distribution zone, one avoids concentrating the liquid in a certain zone (the central zone of the concave zones by comparison) and one can thus reduce the speed of the liquid and its quantity of movement.
  • the elliptical profile inverted or the triangular profile makes it possible in particular to effectively distribute the liquid over the entire liquid accompanying device.
  • the flat profile (right segment) allows a simple realization while efficiently distributing the liquid.
  • the invention also relates to a three-phase fluidized reactor for the hydroconversion of heavy hydrocarbon cuts in the presence of hydrogen under high pressure, the reactor comprising a recycle zone consisting of the upper hemisphere of the reactor and limited to the lower part by a surface configured to allow the separated liquid (for example, a conical or hemispherical surface) to return to the catalytic zone, for example through a central outlet channel to convey the liquid to a pump for the purpose of recycling the liquid.
  • the recycle zone comprises a gas-liquid separation device as described previously.
  • the reactor corresponds to the reactor of FIG. 1 as described previously and in which only the gas-liquid separation device is modified.
  • the invention also relates to a process for the hydroconversion of heavy hydrocarbon cuts in a three-phase fluidized bed using the gas-liquid separation device as described above (preferably using a three-phase fluidized reactor as described and comprising a gas-liquid separation according to the invention), in which the operating conditions are as follows:
  • An absolute pressure between 2 MPa and 35 MPa, preferably between 5 MPa and 25 MPa, and even more preferably, between 6 MPa and 20 MPa, and at
  • a temperature between 300°C and 550°C, preferably between 350 and 500°C, and more preferably between 370°C and 430°C, the preferred temperature range being between 380°C C and 430°C.
  • the superficial velocity of the ascending flow inside each inlet duct can be between 0.1 m/s and 20 m/s, preferentially between 0.2 m/s and 15 m/s, and even more preferably between 0.3 m/s and 10 m/s.
  • the volume fraction of the liquid in the inlet duct can be between 0.05 and 0.95, preferably between 0.1 and 0.8 and even more preferably between 0.3 and 0.6.
  • the system is suitable for a wide range of volume fractions of liquid, the volume fraction of liquid representing the volume of liquid relative to the total volume of gas-liquid mixture arriving in the inlet duct.
  • Figure 4 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, a gas-liquid separation device according to the invention.
  • gas-liquid separation element comprising an inlet duct 70 and a succession of two elbows 71 and 72 (but the succession of elbows could comprise more than two elbows).
  • the liquid accompanying device is not shown to facilitate the reader's understanding.
  • the gas-liquid separation elements of Figure 4 can replace the separation elements 27 and 28 of Figures 1 and 2, so that the gas-liquid separation device comprises several gas-liquid separation elements.
  • Each separation element comprises an inlet duct 70 followed by a succession of two elbows 71 and 72:
  • the first bend 71 is positioned in a plane noted (yz), perpendicular to the horizontal x axis, the z axis substantially corresponding to the vertical axis,
  • the second bend 72 is positioned in a plane forming a non-zero angle with the plane (yz) of the first bend 71.
  • the axis of the second elbow forms an angle 0 with the horizontal plane (xy).
  • the second elbow 72 can be located in the plane noted (xy) substantially horizontal and perpendicular to the z axis: in this case, the angle 0 is zero.
  • the two elbows 71 and 72 are in two non-coplanar planes, these two planes being secant with each other.
  • the succession of elbows is composed of two elbows, but the succession of elbows can include a number of elbows greater than 2.
  • the gas-liquid separation element comprises a liquid accompanying device 73 in which, the separated gas liquid can be evacuated upwards, the liquid accompanying device 73 comprising an open section allowing the gas to escape upwards (for example in the direction of the upper part of the reactor).
  • the opening of the conduit portion of the liquid accompanying device 73 makes it possible to convey the liquid in the desired direction, the surface of the accompanying device liquid 73 serving as a guide to the liquid.
  • the liquid accompanying device 73 can be configured so that the liquid is directed towards the central outlet channel of the recycle cup of the reactor, as represented by the reference 25 of FIG.
  • the liquid attendant inlet section 73 (the one attached to the outlet 74 of the second and last bend) is positioned vertically above the liquid attendant outlet section 73.
  • the difference in height between the axis of the inlet section and the outlet section of the liquid accompanying device 73 corresponds to the height H. This makes it possible to accompany the liquid under the effect of the latter's gravity.
  • the liquid accompanying device 73 can preferably be a 3D (three-dimensional) element, that is to say extending in the three axes x, y, and z of an orthonormal frame, it does not is not located in a plane (that is to say it is not two-dimensional 2D) and includes a change of direction, this to favor the accompaniment of the liquid towards the exit.
  • This change of direction is preferably continuous and without discontinuity of slope to gradually accompany the liquid.
  • the surface of the liquid accompanying device forms a continuous change of direction and without discontinuity of slope.
  • the liquid accompanying device 73 is opened at an opening angle ⁇ measured with respect to the axis of the inlet section (corresponding to the neutral line or the neutral fiber of the inlet section).
  • the inlet section of the liquid accompanying device 73 is semi-circular because it is connected to the circular outlet section 74 of the second and last elbow 72. It is called “semi-circular" because it is open.
  • the exit section 75 of the liquid accompanying device 73 is also semi-circular but other shapes are possible.
  • the outlet section 75 of the liquid accompanying device 73 is larger than its inlet section: here the diameter of the outlet section 75 is larger than that of the inlet section.
  • the liquid accompanying device 73 forms a slide for the liquid.
  • the liquid flowing after it leaves the liquid accompanying device 73 arrives here, for example, along the conical wall of the three-phase fluidized reactor and is recovered by the central outlet channel.
  • the gas is evacuated through the outlet of the second and last bend via the open part of the liquid accompanying device 73.
  • the gas therefore occupies the end upper part of the separation zone located above the gas-liquid interface and can for example leave the reactor via the outlet pipe (the pipe 40 in FIGS. 1 and 2 for example).
  • Figure 7 illustrates, schematically and without limitation, the inlet section of the liquid accompanying device.
  • the inlet section of the accompanying device is semi-circular with a diameter D, equal to the diameter of the last bend, and represented by the solid black line in the figure. It is open according to an opening angle ⁇ measured with respect to the axis of the inlet section (axis represented by the point O corresponding to the center of the circle of diameter D and corresponding to the neutral line or the neutral fiber of the inlet section) between the ends 80 and 81 of the inlet section.
  • the z axis corresponds to the vertical axis. It can be observed that the ends 80 and 81 are not symmetrical with respect to the vertical axis z. This asymmetry makes it possible to better guide the liquid despite the centrifugal forces that the liquid undergoes in the change of direction of the liquid accompanying device via the angle of rotation.
  • FIG. 5 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, a 3D view of a gas-liquid separation element according to the invention (left diagram) and of a top view of the same gas-liquid separation element (diagram of right).
  • the gas-liquid separation element comprises an inlet pipe 70 followed by a succession of two bends 71 and 72 (but the succession of bends can comprise more than two bends) in two intersecting planes with respect to one another. the other, the two planes being preferably perpendicular to one another.
  • a liquid accompanying device 73 is attached to the outlet of the second and last elbow 72 and has an open part (open pipe portion).
  • the inlet pipe 70 and the two elbows 71 and 72 are of circular section with a diameter D.
  • the semi-circular inlet section Se of the liquid accompanying device 73 also has a diameter equal to D.
  • the outlet section So of the liquid accompanying device 73 is also semi-circular and has a diameter L greater than or equal to the diameter D of the inlet section.
  • the liquid accompanying device 73 follows a rotation from its inlet section Se to its outlet section So.
  • the angle formed between the entry section Se and the section outlet So is represented by the angle of rotation Y comprised between 45° and 200°, preferably between 90 and 180°.
  • Figure 6 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, different output section profiles of the liquid accompanying device of gas-liquid separation elements.
  • gas-liquid separation elements can in particular be placed in place of the gas-liquid separation elements 27 and 28 of FIGS. 1 and 2.
  • Diagrams a) to d) differ only in the liquid accompanying device.
  • the profile of the exit section is substantially semi-triangular 76 with the apex of the triangle pointing upwards.
  • substantially semi-triangular we mean that the apex of the triangle may have a curvature and that the third side of the triangle is not part of the profile: in other words, this semi-triangular profile is in the shape of an inverted V. Due to this, the liquid is split into two flows directed on both sides relative to the apex of the triangle.
  • the triangle is isosceles with respect to the vertex or equilateral so as to generate two similar flow streams.
  • the profile of the outlet section is flat 77 (or linear). In other words, it is formed by a line segment.
  • the liquid can flow over the entire surface without generating a concentration zone and it is distributed all around the outlet section. The inertia of the liquid is therefore distributed.
  • the liquid accompanying device comprises deflectors 78 which divide the liquid accompanying device into several compartments, thus making it possible to avoid the concentration of the liquid in a single zone (the central zone for example).
  • the deflectors 78 preferably extend from the inlet section to the outlet section of the liquid accompanying device and follow the variation of the section profile. Deflectors can be used regardless of the outlet section profile.
  • the liquid accompanying device includes slits (or openings) allowing the liquid to escape downwards.
  • the liquid can be gradually distributed downwards.
  • the slots can be used regardless of the outlet section profile.
  • the variation of the section of the accompanying device, from the semi-circular inlet section to the outlet section, whatever its profile, is progressive, continuous and without discontinuity in slope.
  • deflectors and slots are also possible, regardless of the profile of the outlet section.
  • Figure 8 illustrates, schematically and without limitation, a first example of a concave outlet profile of the liquid accompanying device.
  • the output section of the accompanying device is semi-elliptical and represented by the solid black line in the figure.
  • the circle of diameter D represented by the dotted lines represents the outlet section of the last bend (from which the inlet section of the liquid accompanying device starts), brought back into the plane of the outlet section.
  • the z axis represents the vertical axis and the x” axis a horizontal axis.
  • the elliptical profile of the outlet section is defined by an ellipse with center c, semi-major axis along the X” axis of length E and semi-minor axis along the z axis with length F.
  • the X” and z axes are defined by the circular profile of the elbow outlet of diameter D.
  • the elliptical profile is open with an opening defined by the angle ip.
  • the center c of the ellipse is a distance G from the axis X” and a length H from the z axis, H being zero in the figure.
  • the length E is between D/4 and 5D, and preferably between D/2 and 3D o
  • the length F is between D/4 and 5D, and preferably between D/2 and 3D o
  • the angle ip is between 10° and 350° and preferably between 90° and 180°.
  • the length G is between 0.1 F and F and preferably between 0 and F/2.
  • the length H is between -E and E and preferably between -E/2 and E/2.
  • the elliptical profile has the advantage, compared to the circular profile, of increasing the surface on which the liquid bears. Thus, one can reduce the speed of the liquid and thus limit its momentum.
  • Figure 9 illustrates, schematically and without limitation, a second example of a convex outlet profile of the liquid accompanying device.
  • the exit section of the accompanying device is inverted semi-elliptical (compared to figure 8) and represented by the solid black line in the figure.
  • the circle of diameter D represented by the dotted lines represents the outlet section of the last bend (from which the inlet section of the liquid accompanying device starts), brought back into the plane of the outlet section.
  • the z axis represents the vertical axis and the X” axis represents the horizontal axis.
  • the inverted elliptical profile of the outlet section of the liquid accompanying device is defined by an inverted ellipse with center C′, semi-major axis along axis X”, length E1 and semi-minor axis along l axis z of length F1 .
  • the axes X” and z are defined by the circular profile of the exit of the last elbow of diameter D.
  • the elliptical profile is open with an opening defined by the angle i 1.
  • the center C' of the ellipse is distant from a length Gbis with respect to the X” axis and a length H1 with respect to the z axis, the length H1 being zero in the diagram.
  • the length E1 is between D/4 and 5D, and preferentially between D/2 and 3D o
  • the length F1 is between D/4 and 5D, and preferentially between D/2 and 3D o
  • the angle i 1 is included between 10° and 350° and preferably between 90° and 180°.
  • the length Gbis is between 1.1 F and 2F and preferably between F and 1.5F.
  • the length H1 is between -E and E and preferably between -E/2 and E/2.
  • Figure 10 illustrates, schematically and without limitation, a third example of an output profile of the liquid accompanying device.
  • the output section of the accompanying device is flat (or linear) forming a straight segment, and represented by the solid black line in the figure.
  • the exit section is formed by a line segment of length L1.
  • the circle of diameter D represented by the dotted lines represents the outlet section of the last bend (from which the inlet section of the liquid accompanying device starts), brought back into the plane of the outlet section.
  • the z axis represents the vertical axis and the X” axis represents the horizontal axis.
  • the outlet section of the liquid accompanying device is larger than the inlet section, the length L1 being greater than D.
  • the flat profile forming a straight segment of the outlet section of the liquid accompanying device is defined by the segment with center cter and length L1.
  • the center cter (corresponding to the middle of the segment of length L1) is at a length Gter from the X” axis and Hter with respect to the z axis, the length Hter being zero on the diagram.
  • the segment of length L1 forms an angle 5 with the vertical axis.
  • the length L1 is between D/4 and 5D and preferably between D/2 and 3D.
  • the length Gter is between 0.1 D and 4D and preferably between D and 2D.
  • the length Hter is between -2D and 2D and preferably between -D and D.
  • the angle ⁇ is between 60° and 120°, preferably between 80° and 100°. This profile efficiently distributes liquid and avoids areas of liquid concentration.
  • segment of length L1 is orthogonal to the vertical axis (angle 5 equal to 90°) and that the center cter is located on the vertical axis.
  • segment of length L1 is symmetrical with respect to the vertical axis z.
  • FIG. 11 is an example of a comparison of the impact of the liquid leaving the gas-liquid separation element 27 of a system in accordance with prior art application US 2019/270,941 and of a separation element gas-liquid 27 with a slide-type liquid accompanying device according to the invention.
  • Diagrams a) and b) illustrate the level of turbulence generated by the impact of the liquid on the surface of the gas-liquid interface 24. These diagrams are derived from CFD (Computational Fluid Dynamics) numerical simulations. Diagram a) corresponds to the prior art of US application 2019/270 941 and diagram b) corresponds to the configuration of Figure 4 according to the invention.
  • the gas-liquid interface is positioned at 0.6 m from the axis of the exit section of the liquid accompanying device.
  • the model is of the Euler-Euler type with a continuous liquid and a dispersed gas with bubble diameters taken equal to 1 mm;
  • the flow rate at the inlet of the separation element is 7.886 kg/s for the liquid and 0.394 kg/s for the gas.
  • the invention therefore makes it possible to limit turbulence and the risk of foaming at the gas-liquid interface.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract

L'invention concerne un dispositif de séparation gaz-liquide, notamment pour être implanté dans la zone de recycle des réacteurs fluidisés triphasiques. Le dispositif de séparation gaz- liquide comprend plusieurs éléments de séparation possédant chacun un conduit d'admission (70) et une succession d'au moins deux coudes (71, 72), un premier coude (71) situé dans le plan (zy), l'axe du premier coude (71) formant un angle d'orientation a par rapport à l'axe vertical z compris entre 45° et 315°, et un deuxième coude (72) formant un deuxième angle d'orientation p avec le premier coude (71) compris entre 1 ° et 135°. Les deux premiers coudes (71, 72) successifs sont séparés d'une distance D1 comprise entre D/2 et 4D, D étant le diamètre du conduit d'admission (70). Chaque élément de séparation comprend un dispositif d'accompagnement de liquide (73) positionné à l'extrémité de sortie du dernier coude (72), et de section ouverte.

Description

DISPOSITIF DE SEPARATION GAZ-LIQUIDE AVEC UNE ZONE D'ACCOMPAGNEMENT DU LIQUIDE EN SORTIE, NOTAMMENT POUR REACTEUR EN LIT FLUIDISE TRIPHASIQUE
Domaine technique
L’invention consiste en l’amélioration du design des séparateurs gaz-liquide utilisés notamment dans un procédé H-Oil™, en vue d’obtenir une meilleure séparation gaz-liquide dans la zone supérieure du réacteur souvent appelée zone de recyclage liquide, ou plus simplement zone de recyclage ou zone de recycle.
Le procédé H-Oil™ est un procédé d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes, de type gasoil sous vide ou résidus, qui met donc en présence la phase hydrocarbure liquide, la phase gaz hydrogène dispersée sous forme de bulles, et le catalyseur lui-même dispersé sous forme de particules solides d’une taille typiquement comprise entre 0,2 et 2 millimètres.
Le procédé H-Oil™ est donc un procédé fluidisé triphasique qui utilise un réacteur spécifique. Ce réacteur est équipé d’un dispositif de séparation gaz-liquide situé dans la partie supérieure du réacteur de manière à permettre le recyclage du liquide qui est renvoyé après séparation dans la zone réactionnelle du réacteur. Une des caractéristiques importantes des réacteurs de type H-Oil™ est leur fort taux de recyclage liquide défini comme le rapport du débit liquide recyclé sur le débit de charge liquide entrant et qui est généralement situé dans la gamme de 1 à 10.
La présente invention peut se définir comme un dispositif amélioré de séparation gaz-liquide, notamment pour des réacteurs de type H-Oil™ qui permettent la réintroduction de la majorité du liquide sans gaz vers la zone réactionnelle, et l’évacuation du gaz (et aussi une partie du liquide) hors du réacteur et qui limite les turbulences au niveau de l’interface gaz-liquide et les effets de moussage.
Toutefois, le dispositif de séparation gaz-liquide peut être utilisé dans d’autres applications.
Technique antérieure
On connaît la demande de brevet US 4,886,644 qui décrit le concept des « spirales risers » (ou « cyclone separator ») relatif à la séparation gaz-liquide dans le procédé H-Oil™ par un nombre de tours de la spirale et un angle par rapport à l’horizontale.
La coupelle de recycle, aussi appelée « recycle cup » en anglais, décrite dans cette demande de brevet correspond à la partie supérieure du réacteur qui permet, après séparation du gaz et du liquide, le retour du liquide dans la zone réactionnelle du réacteur, et l’évacuation du gaz par une conduite dédiée. Nous utiliserons dans la suite du texte la terminologie zone supérieure de recyclage du liquide ou plus simplement, zone de recyclage ou zone de recycle.
Le document US 4,886,644, décrit par ailleurs un arrangement de la zone supérieure de recyclage avec la conduite d’évacuation gaz-liquide en haut du réacteur.
La figure 1 est un schéma représentatif montrant les principaux éléments d’un réacteur H-Oil™ selon l’art antérieur, comme celui de la demande de brevet US 4,886,644. Cette figure permet de visualiser la zone réactionnelle 22 correspondant au lit fluidisé triphasique contenant le catalyseur, la zone située au-dessus de la zone catalytique appelée zone de séparation gaz- liquide 39 qui permet le recyclage du liquide vers la partie inférieure du réacteur au moyen de la pompe de recyclage 20.
Les dispositifs de séparation gaz-liquide sont représentés par les éléments de séparation 27 et 28, certains éléments ayant leur extrémité inférieure située dans la zone de séparation gaz- liquide 39, et d’autres éléments ayant leur extrémité inférieure située sur la surface de la « recycle cup » 30.
Le réacteur fluidisé triphasique 10 est conçu d’une manière spécifique avec des matériaux appropriés lui permettant de traiter des liquides réactifs, des « slurry » liquide-solide, (c’est-à- dire des suspensions, i.e. liquides contenant de fines particules solides dispersées en leur sein), des solides et des gaz à température et pression élevées avec une application préférée pour le traitement de coupes hydrocarbures liquides avec de l’hydrogène à haute température et haute pression, c’est-à-dire à une pression absolue comprise entre 2 MPa et 35 MPa, de préférence entre 5 MPa et 25 MPa, et de manière encore préférée, entre 6 MPa et 20 MPa, et à une température comprise entre 300°C et 550°C, de préférence comprise entre 350°C et 500°C, et d’une manière encore préférée comprise entre 370°C et 460°C, la plage de température privilégiée se situant entre 380°C et 440°C.
Le réacteur fluidisé triphasique type H-Oil™ 10 est conçu avec un conduit d’entrée approprié 12 pour l’injection d’une charge hydrocarbonée lourde 1 1 et d’un gaz 13 contenant de l’hydrogène. Les conduits de sortie sont positionnés dans la partie supérieure du réacteur 10. Le conduit de sortie 40 est conçu pour soutirer des vapeurs pouvant contenir une certaine quantité de liquide, et en option le conduit 24 permet de soutirer principalement du liquide. Le réacteur contient aussi un système permettant l’introduction et le soutirage de particules de catalyseur correspondant schématiquement au conduit 15 pour l’introduction du catalyseur frais 16, et le conduit 17 pour le soutirage du catalyseur usé 14.
La charge d’hydrocarbures lourds est introduite à travers le conduit 1 1 , pendant que le gaz contenant l’hydrogène est introduit à travers le conduit 13. Le mélange charge et hydrogène gazeux est ensuite introduit dans le réacteur 10 à travers le conduit 12 dans la partie inférieure du réacteur.
Les fluides entrant passent à travers un plateau 18 contenant des distributeurs appropriés.
Dans ce schéma, des distributeurs de type « bubble cap » 19 sont montrés, mais il est entendu que tout distributeur connu de l’homme du métier permettant de distribuer les fluides provenant du conduit 12 sur toute la surface du réacteur 10, et ceci de la manière la plus homogène possible, peut être utilisé.
Le mélange gaz-liquide s’écoule vers le haut et les particules de catalyseur sont entraînées dans un mouvement de lit bouillonnant par l’écoulement gaz et l’écoulement liquide induit par la pompe de recirculation 20 qui peut être interne ou externe au réacteur 10.
L’écoulement ascendant de liquide délivré par la pompe 20 est suffisant pour que le volume du lit de catalyseur dans la zone de réaction ou lit catalytique 22 se dilate d’au moins 10%, de préférence de 20 à 100 % par rapport au volume statique (c’est-à-dire au repos) du lit de catalyseur, permettant ainsi l’écoulement de gaz et liquide à travers le réacteur 10, comme montré par les flèches de direction 21 .
A cause de l’équilibre entre les forces de friction engendrées par l’écoulement ascendant du liquide et du gaz, et les forces gravitaires dirigées vers le bas, le lit de particules de catalyseur atteint un niveau haut d’expansion pendant que le liquide et le gaz plus légers continuent de se diriger vers le haut du réacteur 10 au-delà de ce niveau solide. Dans le schéma, le niveau d’expansion maximale du catalyseur correspond à l’interface 23. Au-dessous de cet interface 23, se trouve la zone de réaction catalytique 22 qui s’étend donc du plateau 18 au niveau 23 et qui comprend le catalyseur.
Au-dessus de l’interface 23 se trouve une zone 39 ne contenant que du gaz et du liquide. Les particules de catalyseur dans la zone de réaction catalytique 22 sont en mouvement aléatoire à l’état fluidisé, raison pour laquelle la zone de réaction catalytique 22 est qualifiée de zone fluidisée triphasique.
La zone 29, à faible concentration de catalyseur au-dessus du niveau de l’interface 23, est remplie de liquide et de gaz entrainé. Le gaz est séparé du liquide dans la partie supérieure du réacteur appelée « zone de recycle » 39 afin de collecter et recycler la majeure partie du liquide à travers le canal de sortie central 25 en fond de recycle cup 30. La forme de la recycle cup 30 (en entonnoir) permet de collecter le liquide après la séparation entre le gaz et le liquide et de l’acheminer vers le canal de sortie central 25. Il est important que le liquide recyclé à travers le canal de sortie central 25 contienne le moins de gaz possible, voire pas de gaz du tout, pour éviter le phénomène de cavitation de la pompe 20.
Les produits liquides restant après la séparation gaz-liquide peuvent être soutirés à travers le conduit 24. Le conduit 40 est utilisé pour le soutirage du gaz.
La partie élargie à l’extrémité supérieure du conduit 25 forme la zone de recyclage du liquide. Une pluralité d’éléments de séparation 27 et 28 orientés verticalement créent le lien entre la zone gaz-liquide 29 et la zone de recyclage 39.
Le mélange gaz-liquide s’écoule vers le haut à travers les conduits des éléments de séparation 27 et 28. Une partie du liquide séparé est ensuite dirigée vers la pompe de recyclage 20 dans la direction de la flèche 31 à travers le canal de sortie central 25, et est donc recyclée vers la partie inférieure du réacteur 10 en-dessous du plateau 18.
Le gaz séparé du liquide, s’écoule vers la partie supérieure du réacteur 10 et est soutiré par le conduit supérieur 40. Le gaz soutiré 40a est ensuite traité d’une manière conventionnelle pour récupérer autant d’hydrogène que possible afin que ce dernier soit recyclé vers le réacteur à travers le conduit 13.
On connaît également la demande de brevet US 2019/270 941 qui concerne un dispositif de séparation gaz-liquide amélioré pour un réacteur fluidisé triphasique de type H-Oil™. Ce dispositif de séparation gaz-liquide se termine par une succession de deux coudes de manière à améliorer la séparation de la phase liquide et de la phase gazeuse, comme sur les figures 2 et 3.
La figure 2 est un schéma plus précis de la zone de recyclage 39 de la demande US2019/270 941 dans un réacteur tel que celui de la figure 1 .
La figure 2 représente la zone de recyclage de liquide qui se termine par un canal de sortie central 25 qui, après séparation gaz-liquide, ramène le liquide vers la partie inférieure du réacteur via la pompe de recyclage. Les éléments de séparation gaz liquide 27 et 28 sont implantés le long de la surface conique 30 de la zone de recyclage. L’entrée du mélange gaz- liquide se fait par les conduits d’admission 70. La séparation gaz-liquide a lieu dans les dispositifs de séparation 55. Chaque dispositif de séparation 55 consiste donc en l’élément tubulaire d’admission du mélange gaz liquide 70 se terminant par la succession de deux coudes situés dans deux plans distincts, comme illustré à la figure 3 :
- le premier plan noté (yz) est perpendiculaire à l’axe x, le second plan noté (xy) est perpendiculaire à l’axe z.
Il n’y a pas d’élévation selon la verticale au passage des deux coudes successifs. La cote verticale (selon l’axe z) du premier coude, et la cote verticale (selon l’axe z) du second coude sont sensiblement les mêmes. On entend par sensiblement un écart vertical qui ne dépasse pas le valeur D du diamètre de la conduite d’admission du mélange gaz-liquide 70.
Le liquide s’écoulant après sa sortie des éléments de séparation le long de la paroi conique 30 est récupéré par le canal de sortie central 25, et le gaz est évacué par la sortie du second coude de chaque élément de séparation 27 et 28. Le gaz occupe donc la zone supérieure 39v de la zone de séparation 39 située au-dessus de l’interface gaz-liquide 24 et quitte le réacteur par le conduit de sortie 67.
Le gaz et le liquide ont un écoulement ascendant montré par la flèche de direction 41 sur la figure 2 et sont introduits à travers les conduits d’admission 70 où ils subissent un changement de direction à environ 90° à la fois dans le premier coude et le second coude terminant les éléments de séparation 27 et 28.
Le niveau d’interface gaz-liquide 24 sépare la partie supérieure 39v contenant majoritairement le gaz séparé, de la partie inférieure 39L contenant majoritairement le liquide recyclé. Les différents liquides séparés 45 issus du second coude des éléments de séparation 27 et 28 s’écoulent vers le bas par l’intermédiaire de la paroi conique 30, et sont collectés par le canal de sortie central 25 pour être repris par la pompe de recyclage (non représentée).
La majeure partie du liquide 31 est donc recyclée vers la pompe de recyclage à travers le canal de sortie central 25. Le gaz et une mineure partie de liquide 67 sont soutirés à travers le conduit 40. Le conduit 40 possède en général des fentes 65 en son extrémité inférieure qui permettent de fixer la hauteur de l’interface gaz-liquide 24.
La figure 3 présente la géométrie d’un dispositif de séparation gaz liquide conforme à la demande US 2019/270 941 , et fait apparaitre les dimensions géométriques importantes pour le dimensionnement de ce dispositif.
Le diamètre du conduit d’admission 70 de chaque élément de séparation est généralement compris entre 0,02 m et 0,5 m, de préférence entre 0,05 m et 0,4 m, et de manière préférée entre 0,1 m et 0,3 m.
La vitesse superficielle de liquide de l’écoulement ascendant représenté par la flèche de direction 41 sur la figure 1 est généralement comprise entre 0,1 m/s et 20 m/s, de préférence entre 0,2 m/s et 15 m/s, et de manière préférée entre 0,3 m/s et 10 m/s. Le premier coude situé dans le plan (yz) a son orientation définie par son angle a. La valeur de l’angle a est compris entre 45° et 315°, de préférence entre 60° et 300°et de manière préférée entre 80° et 200°.
Le deuxième coude situé dans le plan (xy) a son orientation défini par son angle p. La valeur de l’angle p est compris entre 0° et 135°, de préférence entre 10° et 110°et de manière préférée entre 30° et 100°.
La hauteur H1 comprise entre l’interface gaz liquide 24 et le second coude dans le plan (xy) se situe entre D et 10D, et préférentiellement entre 2D et 5D, D étant le diamètre de la conduite 70.
La distance D1 séparant les deux coudes successifs est comprise entre D/2 et 4D et préférentiellement comprise entre D/2 et 2D, D étant le diamètre de la conduite 70.
Bien que le dispositif de séparation des figures 2 et 3 présente de nombreux avantages, il génère des turbulences et peut également produire des mousses que l’on souhaite éviter.
La présente invention consiste ainsi à limiter les turbulences générées par le dispositif de séparation gaz-liquide et à minimiser la génération de mousse. Cela permet ainsi de minimiser le risque d’entrainement de bulles de gaz par le liquide qui est recirculé vers la pompe afin d’être réintroduit dans le réacteur, ces bulles étant susceptibles de générer de la cavitation au niveau de la pompe, qui pourrait aussi endommager la pompe et limiter sa durée de vie.
Pour se faire, l’invention concerne un dispositif de séparation gaz-liquide, notamment pour être implanté dans la zone de recycle d’un réacteur fluidisé triphasique utilisé dans un procédé d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en présence d’hydrogène sous forte pression, la zone de recycle étant constituée de l’hémisphère supérieur du réacteur et limitée à la partie inférieure par une surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé. Le dispositif de séparation gaz-liquide selon l’invention comprend une pluralité d’éléments de séparation fonctionnant en parallèle et implantés verticalement, de préférence à partir de la surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé ou traversant cette surface lorsque le dispositif est implanté dans la zone de recycle d’un réacteur fluidisé triphasique, chaque élément de séparation possédant un conduit (individuel) d’admission du mélange gaz-liquide. De préférence, lorsque le dispositif de séparation gaz-liquide est implanté dans la zone de recycle d’un réacteur fluidisé triphasique, chaque élément de séparation peut être ouvert sur la surface configurée pour permettre le retour (c’est-à-dire le recyclage) dans la zone catalytique du liquide séparé (par exemple conique ou hémisphérique) et chaque élément de séparation s’élève jusqu’à une hauteur H à l’intérieur de la zone de séparation.
De plus, chaque élément de séparation comprend une succession d’au moins deux coudes positionnée (fixée) en sortie (dans le sens de l’écoulement du fluide) du conduit d’admission, un premier coude situé dans le plan ( zy) défini par l’axe z sensiblement vertical, et un axe y appartenant au plan (xy) perpendiculaire à l’axe z, l’axe du premier coude étant défini par un premier angle d’orientation a par rapport à l’axe vertical z compris entre 45° et 315°, de préférence entre 60° et 300°, et de manière préférée entre 80° et 200°, et un deuxième coude dont l’axe forme un deuxième angle d’orientation p avec l’axe du premier coude compris entre 1 ° et 135°, de préférence entre 10° et 1 10°, et de manière préférée entre 30° et 100°, les deux premiers coudes successifs (donc le premier coude et le deuxième coude) étant séparés d’une distance D1 comprise entre D/2 et 4D, et préférentiellement comprise entre D/2 et 2D, D étant le diamètre du conduit d’admission . De plus, chaque élément de séparation comprend un dispositif d’accompagnement du liquide, le dispositif d’accompagnement du liquide étant positionné à l’extrémité de sortie du dernier coude de la succession d’au moins deux coudes, le dispositif d’accompagnement du liquide étant ouvert sur le dessus, tout le long du dispositif d’accompagnement du liquide depuis une section d’entrée jusqu’à une section de sortie, sur le dessus lorsque le système est à l’axe vertical (c’est-à-dire lorsque le conduit d’admission est vertical) et la section de sortie du dispositif d’accompagnement du liquide étant positionnée verticalement en dessous de la section d’entrée du dispositif d’accompagnement du liquide.
Résumé de l’invention
L’invention concerne un dispositif de séparation gaz-liquide comprenant une pluralité d’éléments de séparation fonctionnant en parallèle et implantés verticalement, chaque élément de séparation possédant un conduit d’admission du mélange gaz liquide, et une succession d’au moins deux coudes, un premier coude situé dans le plan (zy) défini par l’axe z sensiblement vertical, et un axe y appartenant au plan (xy) perpendiculaire à l’axe z, l’axe du premier coude étant défini par un premier angle d’orientation a par rapport à l’axe vertical z compris entre 45° et 315°, de préférence entre 60° et 300°, et de manière préférée entre 80° et 200°, et un deuxième coude dont l’axe forme un deuxième angle d’orientation p avec l’axe du premier coude compris entre 1 ° et 135°, de préférence entre 10° et 110°, et de manière préférée entre 30° et 100°, le premier coude et le deuxième coude étant séparés d’une distance D1 comprise entre D/2 et 4D, et préférentiellement comprise entre D/2 et 2D, D étant le diamètre du conduit d’admission. De plus, chaque élément de séparation comprend un dispositif d’accompagnement du liquide, le dispositif d’accompagnement du liquide étant positionné à l’extrémité de sortie du dernier coude de la succession d’au moins deux coudes, le dispositif d’accompagnement du liquide étant ouvert sur toute sa longueur, depuis sa section d’entrée jusqu’à sa section de sortie (tout le long du dispositif de répartition du fluide) dans le sens de circulation du fluide dans ce dispositif de répartition du fluide, et la section de sortie du dispositif d’accompagnement du liquide étant positionnée verticalement en dessous de la section d’entrée du dispositif d’accompagnement du liquide.
De préférence, le dispositif de séparation gaz-liquide est configuré pour être implanté dans la zone de recycle d’un réacteur fluidisé triphasique utilisé dans un procédé d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en présence d’hydrogène sous forte pression, la zone de recycle étant constituée de l’hémisphère supérieur du réacteur et limitée à la partie inférieure par une surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé, et la distance séparant l’extrémité de sortie du dernier coude d’une interface gaz-liquide dans la zone de recycle est comprise entre D et 10D, et préférentiellement entre 2D et 5D.
Avantageusement, le deuxième coude forme un angle avec le plan (zy), compris entre 1 ° et 90°, de préférence entre 1 ° et 45°, et de manière encore préférée entre 1 ° et 20°.
Selon une configuration de l’invention, le dispositif d’accompagnement de liquide comprend au moins un déflecteur et/ou au moins une fente.
Préférentiellement, le dispositif d’accompagnement de liquide (la portion de conduite du dispositif d’accompagnement de liquide) est ouvert sur un angle d’ouverture compris entre 60° et 179°, de préférence entre 90° et 150° et de manière encore préférée entre 100° et 130° par rapport à la ligne neutre. En d’autres termes, chaque section du dispositif d’accompagnement de liquide, le long du dispositif d’accompagnement de liquide depuis sa section d’entrée, jusqu’à sa section de sortie, forme un angle d’ouverture compris entre 60° et 179°, de préférence entre 90° et 150° et de manière encore préférée entre 100° et 130°, entre les points d’extrémité de cette section (ouverte par définition, le dispositif d’accompagnement étant ouvert sur le dessus) et le centre de la fibre neutre de cette section.
De manière avantageuse, la hauteur verticale du dispositif d’accompagnement de liquide est comprise entre D/2 et 8D, de préférence entre 2D et 5D.
Selon une mise en oeuvre de l’invention, la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide et la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide forment un angle de rotation dans le plan (x,y), ledit angle de rotation étant compris entre 45° et 200°, de préférence entre 90° et 180°. De préférence, la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide a un profil elliptique, un profil elliptique inversé ou un profil plat (la section de sortie forme un segment de droite).
L’invention concerne aussi un réacteur fluidisé triphasique pour l’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en présence d’hydrogène sous forte pression, le réacteur comprenant une zone de recycle constituée de l’hémisphère supérieur du réacteur et limitée à la partie inférieure par une surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé, la zone de recycle comprenant un dispositif de séparation gaz-liquide tel que décrit précédemment.
L’invention concerne également un procédé d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en lit fluidisé triphasique utilisant le dispositif de séparation gaz-liquide l’invention, dans lequel les conditions opératoires sont les suivantes :
- Une pression absolue comprise entre 2 MPa et 35 MPa, de préférence entre 5 MPa et 25 MPa, et de manière encore préférée, entre 6 MPa et 20 MPa, et à
- Une température comprise entre 300°C et 550°C, de préférence comprise entre 350 et 500°C, et d’une manière encore préférée comprise entre 370°C et 430°C, la plage de température privilégiée se situant entre 380°C et 430°C.
Avantageusement, la vitesse superficielle de l’écoulement ascendant à l’intérieur de chaque conduit d’admission est comprise entre 0,1 m/s et 20 m/s, préférentiellement entre 0,2 m/s et 15 m/s, et de manière encore préférée comprise entre 0,3 m/s et 10 m/s.
De préférence, la fraction volumique du liquide dans le conduit d’admission est comprise entre 0,05 et 0,95, de préférence entre 0,1 et 0,8 et de manière encore préférée entre 0,3 et 0,6.
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif de séparation, du réacteur et du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Liste des figures
La figure 1 représente un réacteur fluidisé triphasique avec un dispositif de séparation gaz- liquide selon l’art antérieur.
La figure 2 représente un dispositif de séparation gaz-liquide dans un réacteur fluidisé triphasique avec une succession de deux coudes selon l’art antérieur. La figure 3 représente un dispositif de séparation gaz-liquide avec deux coudes selon l’art antérieur.
La figure 4 représente un dispositif de séparation gaz-liquide avec un dispositif d’accompagnement de liquide selon l’invention.
La figure 5 représente un premier exemple de dispositif d’accompagnement de liquide d’un élément de séparation du dispositif de séparation gaz-liquide selon l’invention.
La figure 6 illustre différentes variantes du dispositif d’accompagnement de liquide d’un élément de séparation du dispositif de séparation gaz-liquide selon l’invention.
La figure 7 représente la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide d’un élément de séparation du dispositif de séparation gaz-liquide selon l’invention.
La figure 8 représente un premier exemple de section de sortie, semi-elliptique, du dispositif d’accompagnement de liquide d’un élément de séparation du dispositif de séparation gaz- liquide selon l’invention.
La figure 9 représente un deuxième exemple de section de sortie, semi-elliptique inversée, du dispositif d’accompagnement de liquide d’un élément de séparation du dispositif de séparation gaz-liquide selon l’invention.
La figure 10 représente un troisième exemple de section de sortie, plate, du dispositif d’accompagnement de liquide d’un élément de séparation du dispositif de séparation gaz- liquide selon l’invention.
La figure 1 1 représente une comparaison des profils de la fraction volumique liquide au niveau de l’interface gaz liquide entre un dispositif de séparation gaz liquide se terminant par deux coudes selon l’art antérieur a) et un dispositif de séparation gaz liquide avec un dispositif d’accompagnement du liquide selon l’invention b).
Description des modes de réalisation
L’invention concerne un dispositif de séparation gaz-liquide notamment pour être implanté dans la zone de recycle des réacteurs fluidisés triphasiques utilisés dans les procédés d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en présence d’hydrogène sous forte pression, procédé connu sous le nom de H-Oil™.
Le présent dispositif peut être utilisé dans tout type d’équipement ayant besoin d’une séparation gaz-liquide.
Le dispositif de séparation gaz-liquide peut également être utilisé dans d’autres systèmes où la séparation entre un gaz et un liquide est nécessaire, par exemple dans un séparateur de type ISS pour « Internai Stage Separator » (ou séparateur intermédiaire en français) ou de type HHPS pour « Hot and High Pressure Separator » (ou séparateur à haute pression et à haute température en français), ces séparateurs étant utilisés dans les procédés d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes.
Lorsque le dispositif est implanté dans la zone de recycle d’un réacteur fluidisé triphasique, l’organisation de la circulation des fluides présenté dans la figure 1 n’est pas modifiée dans la présente invention par rapport à l’art antérieur tel qu’il a décrit précédemment. Seule est modifiée la géométrie des éléments de séparation (27) et (28) de la figure 1 .
On entend par procédé en lit fluidisé triphasique un procédé dans lequel trois phases se trouvent en présence dans la zone réactionnelle : une phase liquide, constituant généralement la charge à traiter, une phase gaz sous forte pression généralement de l’hydrogène, et une phase solide correspondant au catalyseur divisé en particules solides, le plus souvent d’un diamètre compris entre 0,2 mm et 2 mm, et préférentiellement compris entre 0,7 mm et 1 ,5 mm.
Le réacteur fluidisé triphasique dans lequel on peut implanter le dispositif de séparation gaz- liquide comprend une zone de recycle constituée de l’hémisphère supérieur du réacteur et limitée à la partie inférieure par une surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé, par exemple via un canal de sortie central permettant de collecter le liquide séparé. La surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé peut être conique ou hémisphérique par exemple.
La zone de recycle du réacteur fluidisé triphasique se décompose ainsi en une partie supérieure comportant du gaz, et en une partie inférieure comportant du liquide. Ces deux zones sont, dans le réacteur en fonctionnement, séparées par une interface gaz-liquide.
Le dispositif de séparation gaz-liquide comprend une pluralité d’éléments de séparation fonctionnant en parallèle et implantés verticalement (de préférence à partir de la surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé ou traversant cette surface lorsque le dispositif est implanté dans la zone de recycle d’un réacteur fluidisé triphasique) et chaque élément de séparation possède un conduit d’admission du mélange gaz-liquide (de préférence ouvert sur la surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé et s’élevant jusqu’à une hauteur H à l’intérieur de la zone de séparation lorsque le dispositif est implanté dans la zone de recycle d’un réacteur fluidisé triphasique) configuré pour un flux du mélange gaz-liquide descendant, et une succession d’au moins deux coudes, les coudes successifs étant fixés les uns aux autres. Le conduit d’admission est sensiblement vertical. La succession de coudes est positionnée et fixée à la sortie du conduit d’admission dans le sens de circulation du mélange gaz-liquide dans l’élément de séparation. Les termes « premier », « deuxième », « troisième », « quatrième », « suivant », « précédent » ou « dernier », lorsqu’ils sont associés à « coude », s’entendent dans le sens de circulation du fluide dans la succession d’au moins deux coudes. Ainsi, le premier coude sera celui qui est traversé en premier par le fluide, dans le sens de circulation du fluide (mélange gaz-liquide). La succession d’au moins deux coudes est positionnée à la sortie du conduit d’admission de manière à obliger le fluide sortant du conduit d’admission à passer dans la succession des coudes. Le passage dans la succession des au moins deux coudes permet une séparation efficace du liquide et du gaz.
On entend par surface « concave » une surface formant un creux, c’est-à-dire une forme arrondie vers l’intérieur. On entend par surface « convexe » une surface bombée c’est-à-dire arrondie vers l’extérieur.
Les termes « vertical », « horizontal », « supérieur », « inférieur », « au-dessus », « au- dessous », « haut » et « bas » s’entendent du dispositif de séparation gaz-liquide en situation de fonctionnement (en situation de fonctionnement).
Dans la présente description, l’axe vertical est considéré comme orienté vers le haut ; les angles considérés dans la présente description sont donc donnés par rapport à cette orientation vers le haut de l’axe vertical.
Le premier coude est situé dans le plan (zy) défini par l’axe z sensiblement vertical, et un axe y appartenant au plan (xy) perpendiculaire à l’axe z. En d’autres termes, le plan (zy) est un plan sensiblement vertical et le plan (xy) est un plan sensiblement horizontal. L’axe du premier coude est défini par un premier angle d’orientation a par rapport à l’axe vertical z (qui correspond sensiblement à l’axe du conduit d’admission) compris entre 45 et 315°, de préférence entre 60° et 300°, et de manière préférée entre 80° et 200°. Le premier coude est fixé à la sortie du conduit d’admission.
Un deuxième coude est fixé sur le premier coude (à l’extrémité opposée de celle fixée au conduit d’admission). En d’autres termes, il se trouve dans le prolongement du premier coude. L’axe du deuxième coude forme un deuxième angle d’orientation p avec l’axe du premier coude. Le deuxième angle d’orientation p est compris entre 1 ° et 135°, de préférence entre 10° et 110°, et de manière préférée entre 30° et 100°. De préférence, le deuxième coude est dans un plan formant un angle non nul avec le plan (zy), par exemple, le deuxième coude peut être dans le plan sensiblement horizontal (xy). Ainsi, les premier et deuxième coudes ne sont pas coplanaires. En utilisant ces deux coudes successifs (c’est-à-dire les premier et deuxième coudes) dans deux plans sécants l’un par rapport à l’autre, on favorise la séparation du liquide et du gaz. De plus, ces deux coudes successifs sont séparés d’une distance D1 comprise entre D/2 et 4D, et préférentiellement comprise entre D/2 et 2D, D étant le diamètre du conduit d’admission.
Selon une mise en oeuvre de l’invention, le dispositif de séparation gaz-liquide de l’invention peut comprendre entre 10 et 50 éléments de séparation, de préférence entre 20 et 40 éléments de séparation, pour améliorer les capacités de séparation du liquide et du gaz. Le nombre d’éléments de séparation est notamment fonction du débit à traiter.
En outre, chaque élément de séparation comprend un dispositif d’accompagnement du liquide qui peut prendre la forme d’un toboggan. Ce dispositif d’accompagnement du liquide a pour but d’acheminer le liquide doucement vers la sortie (le canal de sortie central du réacteur fluidisé triphasique par exemple). Le dispositif d’accompagnement du liquide est positionné à l’extrémité de sortie (dans le sens de l’écoulement du mélange gaz-liquide) du dernier coude de la succession d’au moins deux coudes. Les coudes sont fixés successivement les uns aux autres, et le dispositif d’accompagnement est fixé à l’extrémité de sortie du dernier coude. Par exemple, si la succession d’au moins deux coudes comprend quatre coudes fixés les uns aux autres, le dispositif d’accompagnement du liquide est fixé au quatrième coude ; si la succession d’au moins deux coudes comprend deux coudes fixés les uns aux autres, le dispositif d’accompagnement du liquide est fixé au deuxième coude. Le dispositif d’accompagnement du liquide est ouvert, sur le dessus de manière à laisser le gaz s’échapper vers le haut et à diriger le liquide vers le bas. Ainsi, la partie ouverte du dispositif d’accompagnement du liquide (de la portion de conduite notamment) est positionnée sur la partie supérieure permettant de laisser le gaz s’échapper alors que la partie inférieure du dispositif d’accompagnement du liquide (de la portion de conduite notamment) permet le guidage du liquide.
Le dispositif d’accompagnement du liquide peut être constitué d’une portion de conduite allant de la section d’entrée à la section de sortie.
En outre, le dispositif d’accompagnement du liquide est ouvert (la portion de conduite du dispositif d’accompagnement du liquide est ouverte), sur le dessus, de manière à permettre la répartition du fluide tout le long (sur toute la longueur) du dispositif d’accompagnement du liquide dans le sens de circulation du fluide dans ce dispositif d’accompagnement du liquide depuis une section d’entrée jusqu’à une section de sortie. La portion de conduite est alors ouverte, sur toute la longueur du dispositif d’accompagnement du liquide, la longueur étant prise de la section d’entrée, jusqu’à la section de sortie le long de la fibre neutre du dispositif d’accompagnement du liquide. On appelle « portion de conduite », une pièce sous la forme de conduite dont la section est ouverte sur toute sa longueur.
Grâce à ce dispositif d’accompagnement du liquide ouvert sur toute sa longueur, le liquide peut être conduit par la section du dispositif alors que le gaz peut s’échapper grâce à l’ouverture sur le dessus. La séparation entre ces deux fluides est alors facilitée.
En outre, la section de sortie du dispositif d’accompagnement du liquide est positionnée verticalement en dessous de la section d’entrée du dispositif d’accompagnement du liquide. Ainsi, par l’effet de gravité appliqué au liquide, le dispositif d’accompagnement guide le liquide vers le bas dans la direction souhaitée. Le dispositif d’accompagnement permet à la fois de diriger le liquide dans la direction souhaitée (vers le canal de sortie pour la recirculation vers la pompe du réacteur fluidisé triphasique par exemple), en l’amenant doucement dans cette direction et ainsi de limiter les turbulences et les phénomènes de moussage.
Le dispositif d’accompagnement du liquide (la portion de conduite notamment) peut notamment comprendre un changement de direction, de préférence, continu et sans discontinuité de pente) depuis la section d’entrée et jusqu’à la section de sortie, dans le sens de l’écoulement du fluide dans le dispositif.
De préférence, la section du dispositif d’accompagnement du liquide peut être constante le long du dispositif d’accompagnement du liquide (sur toute la longueur du dispositif de d’accompagnement du liquide) depuis la section d’entrée jusqu’à la section de sortie. Alternativement, la section du dispositif d’accompagnement du liquide peut varier de manière continue et sans discontinuité depuis la section d’entrée jusqu’à la section de sortie, le long du dispositif d’accompagnement du liquide (sur toute la longueur du dispositif d’accompagnement du liquide).
Ainsi, le dispositif d’accompagnement du liquide forme un toboggan depuis la section d’entrée à la section de sortie. La portion de conduite est ouverte sur le dessus, la partie inférieure de la portion de conduite conduisant le liquide par gravité et le gaz pouvant s’échapper par le haut, grâce à l’ouverture, sur le dessus de la portion de conduite. De préférence, la distance H1 séparant l’extrémité de sortie du dernier coude de la succession d’au moins deux coudes d’une interface gaz-liquide, par exemple dans la zone de recycle d’un réacteur fluidisé triphasique, peut être comprise entre D et 10D, et préférentiellement entre 2D et 5D. Cela permet de séparer efficacement le gaz et le liquide.
Avantageusement, le deuxième coude peut former un angle avec le plan (zy), compris entre 1 ° et 90°, de préférence entre 1 ° et 45° et de manière encore préférée entre 1 ° et 20°. Ainsi, le deuxième coude n’est pas dans un plan coplanaire avec celui du premier coude. En utilisant ces deux coudes successifs (c’est-à-dire les premier et deuxième coudes) dans deux plans sécants l’un par rapport à l’autre formant en particulier les angles mentionnés ci-dessus, on favorise la séparation du liquide et du gaz.
De manière avantageuse, le dispositif d’accompagnement de liquide peut comprendre au moins un déflecteur (de préférence plusieurs déflecteurs) et/ou au moins une fente (de préférence plusieurs fentes).
L’utilisation de déflecteurs permet d’améliorer la distribution du liquide sur la section du dispositif d’accompagnement en évitant une concentration du liquide dans la partie la plus basse. De ce fait, on peut limiter l’accélération du liquide.
L’utilisation de fentes permet également de casser la vitesse du liquide de manière à l’acheminer doucement vers la sortie et d’améliorer la distribution du liquide.
En limitant la vitesse du liquide, on peut réduire la quantité de mouvement du liquide et donc limiter son impact sur l’interface gaz-liquide (turbulences, moussage).
Selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, le dispositif d’accompagnement de liquide (la portion de conduite notamment) peut être ouvert selon un angle d’ouverture compris entre 60° et 179°, de préférence entre 90° et 150° et de manière encore préférée entre 100° et 130° par rapport à la ligne neutre l’axe de portion de conduite par exemple). Cet angle d’ouverture permet de faciliter l’évacuation du gaz et d’avoir une section suffisamment importante pour guider efficacement le liquide.
Préférentiellement, la hauteur verticale du dispositif d’accompagnement de liquide peut être comprise entre D/2 et 8D, de préférence entre 2D et 5D. Ainsi, d’une part, la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide est au-dessus de l’interface gaz-liquide et la hauteur du dispositif d’accompagnement de liquide est suffisante pour que le dispositif d’accompagnement de liquide agisse de manière similaire à un toboggan pour le liquide pour le guider vers la sortie.
De manière avantageuse, l’angle de rotation formé entre la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide et la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide, dans le plan (xy) sensiblement horizontal, peut être compris entre 45° et 200°, de préférence entre 160° et 190°. Ainsi, on peut diriger efficacement le liquide en direction du canal de sortie central du réacteur fluidisé triphasique. De plus, le dispositif d’accompagnement de liquide comprend une surface continue et sans discontinuité de la section d’entrée à la section de sortie de manière à diriger progressivement le liquide arrivant de la section d’entrée vers la section de sortie. Le dispositif d’accompagnement forme ainsi un profil arrondi (ou incurvé).
Selon une variante de l’invention, la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide peut être plus grande que la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide. Cet élargissement de section permet donc d’augmenter la surface de contact entre le liquide et le dispositif d’accompagnement de liquide. Ainsi, on peut limiter la vitesse du liquide en sortie du dispositif d’accompagnement. Par exemple, lorsque la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide est semi-circulaire (ou semi-torique) d’un diamètre DD, la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide peut être semi circulaire d’un diamètre compris entre 1 ,2 DD et 2 DD.
Selon des modes de réalisation avantageux de l’invention, la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide peut être concave ou convexe ou plate. Lorsqu’elle est concave, elle peut avoir un profil circulaire (ou torique) ou elliptique. Lorsqu’elle est convexe, elle peut avoir un profil elliptique inversé ou plat (c’est-à-dire formant un segment de droite).
Les sections concaves facilitent le guidage du liquide en imposant au liquide d’être guidé au centre de cette section. Le profil circulaire est simple à réaliser. Le profil elliptique permet de limiter la concentration locale du liquide au centre du profil comparativement au profil circulaire. Ainsi, on élargit la partie sur laquelle le liquide est porté et de ce fait, on peut limiter la vitesse du liquide et son inertie, notamment en vue de son impact sur l’interface gaz-liquide. Les sections concaves peuvent également distribuer efficacement le liquide tout autour du dispositif d’accompagnement.
Les sections convexes permettent de distribuer efficacement le liquide tout autour du dispositif d’accompagnement de liquide. En augmentant la zone de distribution, on évite de concentrer le liquide dans une certaine zone (la zone centrale des zones concaves par comparaison) et on peut ainsi diminuer la vitesse du liquide et sa quantité de mouvement. Le profil elliptique inversé ou le profil triangulaire permet notamment de distribuer efficacement le liquide sur tout le dispositif d’accompagnement de liquide.
Le profil plat (segment de droite) permet une réalisation simple tout en distribuant efficacement le liquide.
L’invention concerne également un réacteur fluidisé triphasique pour l’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en présence d’hydrogène sous forte pression, le réacteur comprenant une zone de recycle constituée de l’hémisphère supérieur du réacteur et limitée à la partie inférieure par une surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé (par exemples, une surface conique ou hémisphérique), par exemple par un canal de sortie central pour acheminer le liquide vers une pompe en vue d’un recyclage du liquide. De plus, la zone de recycle comprend un dispositif de séparation gaz- liquide tel que décrit précédemment. Le réacteur correspond au réacteur de la figure 1 telle que décrite précédemment et dans lequel seul le dispositif de séparation gaz-liquide est modifié.
En sus, l’invention concerne aussi un procédé d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en lit fluidisé triphasique utilisant le dispositif de séparation gaz-liquide tel que décrit précédemment (de préférence en utilisant un réacteur fluidisé triphasique tel que décrit et comprenant un dispositif de séparation gaz-liquide selon l’invention), dans lequel les conditions opératoires sont les suivantes :
- Une pression absolue comprise entre 2 MPa et 35 MPa, de préférence entre 5 MPa et 25 MPa, et de manière encore préférée, entre 6 MPa et 20 MPa, et à
- Une température comprise entre 300°C et 550°C, de préférence comprise entre 350 et 500°C, et d’une manière encore préférée comprise entre 370°C et 430°C, la plage de température privilégiée se situant entre 380°C et 430°C.
Ces pressions et températures permettent un procédé d’hydroconversion efficace des coupes hydrocarbonées lourdes en présence d’hydrogène.
Avantageusement, la vitesse superficielle de l’écoulement ascendant à l’intérieur de chaque conduit d’admission peut être comprise entre 0,1 m/s et 20 m/s, préférentiellement entre 0,2 m/s et 15 m/s, et de manière encore préférée comprise entre 0,3 m/s et 10 m/s.
De préférence, la fraction volumique du liquide dans le conduit d’admission peut être comprise entre 0,05 et 0,95, de préférence entre 0,1 et 0,8 et de manière encore préférée entre 0,3 et 0,6. Ainsi, le système est adapté à une large gamme de fractions volumiques de liquide, la fraction volumique de liquide représentant le volume de liquide rapporté au volume total de mélange gaz-liquide arrivant dans le conduit d’admission.
La figure 4 illustre, de manière schématique et non limitative, un dispositif de séparation gaz- liquide selon l’invention.
Sur la figure de gauche, on observe un élément de séparation gaz-liquide comprenant un conduit d’admission 70 et une succession de deux coudes 71 et 72 (mais la succession de coudes pourrait comprendre plus de deux coudes). Le dispositif d’accompagnement de liquide n’est pas représenté pour faciliter la compréhension du lecteur.
Sur la figure de droite, on observe l’élément de séparation gaz-liquide complet avec le dispositif d’accompagnement de liquide 73.
Les éléments de séparation gaz-liquide de la figure 4 peuvent remplacer les éléments de séparation 27 et 28 des figures 1 et 2, de telle sorte que le dispositif de séparation gaz-liquide comprend plusieurs éléments de séparation gaz-liquide.
Chaque élément de séparation comprend un conduit d’admission 70 suivi d’une succession de deux coudes 71 et 72 :
- le premier coude 71 est positionné dans un plan noté (yz), perpendiculaire à l’axe x horizontal, l’axe z correspondant sensiblement à l’axe vertical,
- le deuxième coude 72 est positionné dans un plan formant un angle non nul avec le plan (yz) du premier coude 71 . L’axe du deuxième coude forme un angle 0 avec le plan horizontal (xy). Par exemple, le deuxième coude 72 peut être situé dans le plan noté (xy) sensiblement horizontal et perpendiculaire à l’axe z : dans ce cas, l’angle 0 est nul.
Ainsi, les deux coudes 71 et 72 sont dans deux plans non coplanaires, ces deux plans étant sécants l’un avec l’autre.
Ici, la succession de coudes est composée de deux coudes, mais la succession de coudes peut comprendre un nombre de coudes supérieur à 2.
A la sortie 74 du deuxième coude 72 (dans le sens de circulation du liquide dans l’élément de séparation gaz-liquide), l’élément de séparation gaz-liquide comprend un dispositif d’accompagnement de liquide 73 dans lequel, le gaz séparé du liquide peut s’évacuer par le haut, le dispositif d’accompagnement de liquide 73 comprenant une section ouverte permettant au gaz de s’échapper vers le haut (par exemple en direction de la partie supérieure du réacteur).
L’ouverture de la portion de conduite du dispositif d’accompagnement de liquide 73 permet d’acheminer le liquide dans la direction souhaitée, la surface du dispositif d’accompagnement de liquide 73 servant de guidage au liquide. Par exemple, le dispositif d’accompagnement de liquide 73 peut être configuré pour que le liquide soit dirigé vers le canal de sortie central de la recycle cup du réacteur, tel que représenté par la référence 25 de la figure 1 .
La section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide 73 (celle fixée à la sortie 74 du deuxième et dernier coude) est verticalement positionnée au-dessus de la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide 73. La différence de hauteur entre l’axe de la section d’entrée et la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide 73 correspond à la hauteur H. Cela permet d’accompagner le liquide sous l’effet de la gravité de celui-ci.
De plus, le dispositif d’accompagnement de liquide 73 peut être de préférence un élément 3D (tridimensionnel) c’est-à-dire s’étendant dans les trois axes x, y, et z d’un repère orthonormé, il n’est pas situé dans un plan (c’est-à-dire qu’il n’est pas bidimensionnel 2D) et comprend un changement de direction, ceci pour favoriser l’accompagnement du liquide vers la sortie. Ce changement de direction est de préférence continu et sans discontinuité de pente pour accompagner progressivement le liquide. En d’autres termes, la surface du dispositif d’accompagnement de liquide forme un changement de direction continu et sans discontinuité de pente.
Le dispositif d’accompagnement de liquide 73 est ouvert selon un angle d’ouverture œ mesuré par rapport à l’axe de la section d’entrée (correspondant à la ligne neutre ou à la fibre neutre de la section d’entrée). La section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide 73 est semi-circulaire car elle est reliée à la section circulaire de sortie 74 du deuxième et dernier coude 72. Elle est dite « semi-circulaire » car elle est ouverte.
La section de sortie 75 du dispositif d’accompagnement de liquide 73 est semi-circulaire également mais d’autres formes sont possibles. La section de sortie 75 du dispositif d’accompagnement de liquide 73 est plus grande que sa section d’entrée : ici le diamètre de la section de sortie 75 est plus grand que celui de la section d’entrée. En élargissant la section du dispositif d’accompagnement de liquide, dans le sens de l’écoulement du fluide, on peut le ralentir d’une part et augmenter la surface sur laquelle il glisse d’autre part, ce qui permet de réduire l’inertie du liquide et ainsi de réduire son impact au niveau de l’interface gaz-liquide.
Ainsi, le dispositif d’accompagnement de liquide 73 forme un toboggan pour le liquide.
Le liquide s’écoulant après sa sortie du dispositif d’accompagnement de liquide 73 arrive par exemple ici, le long de la paroi conique du réacteur fluidisé triphasique et est récupéré par le canal de sortie central. Le gaz est évacué par la sortie du deuxième et dernier coude via la partie ouverte du dispositif d’accompagnement de liquide 73. Le gaz occupe donc l’extrémité supérieure de la zone de séparation située au-dessus de l’interface gaz-liquide et peut par exemple quitter le réacteur par le conduit de sortie (le conduit 40 des figures 1 et 2 par exemples).
La figure 7 illustre, de manière schématique et non limitative, la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide.
La section d’entrée du dispositif d’accompagnement est semi-circulaire de diamètre D, égal au diamètre du dernier coude, et représentée par le trait continu noir sur la figure. Elle est ouverte selon un angle d’ouverture œ mesuré par rapport à l’axe de la section d’entrée (axe représentée par le point O correspondant au centre du cercle de diamètre D et correspondant à la ligne neutre ou à la fibre neutre de la section d’entrée) entre les extrémités 80 et 81 de la section d’entrée.
Sur cette figure, l’axe z correspond à l’axe vertical. On peut observer que les extrémités 80 et 81 ne sont pas symétriques par rapport à l’axe vertical z. Cette asymétrie permet de mieux guider le liquide malgré les efforts centrifuges que subit le liquide dans le changement de direction du dispositif d’accompagnement de liquide via l’angle de rotation.
La figure 5 illustre, de manière schématique et non limitative, une vue 3D d’un élément de séparation gaz-liquide selon l’invention (schéma de gauche) et d’une vue de dessus du même élément de séparation gaz-liquide (schéma de droite).
L’élément de séparation gaz-liquide comprend une conduite d’admission 70 suivi d’une succession de deux coudes 71 et 72 (mais la succession de coudes peut comprendre plus de deux coudes) dans deux plans sécants l’un par rapport à l’autre, les deux plans étant de préférence perpendiculaires l’un par rapport à l’autre. Un dispositif d’accompagnement de liquide 73 est fixé à la sortie du deuxième et dernier coude 72 et a une partie ouverte (portion de conduite ouverte).
La conduite d’admission 70 et les deux coudes 71 et 72 sont de section circulaire de diamètre D. La section semi-circulaire d’entrée Se du dispositif d’accompagnement de liquide 73 a également un diamètre égal à D. La section de sortie So du dispositif d’accompagnement de liquide 73 est aussi semi circulaire et a un diamètre L supérieur ou égal au diamètre D de la section d’entrée.
Par ailleurs, le dispositif d’accompagnement de liquide 73 suit une rotation de sa section d’entrée Se à sa section de sortie So. L’angle formé entre la section d’entrée Se et la section de sortie So est représenté par l’angle de rotation Y compris entre 45° et 200°, de préférence entre 90 et 180°.
La figure 6 illustre, de manière schématique et non limitative, différents profils de section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide d’éléments de séparation gaz-liquide.
Sur cette figure, les éléments de séparation gaz-liquide peuvent notamment être mis en place à la place des éléments de séparation gaz-liquide 27 et 28 des figures 1 et 2.
Les schémas a) à d) diffèrent uniquement par le dispositif d’accompagnement de liquide.
Sur le schéma a), le profil de la section de sortie est sensiblement semi-triangulaire 76 avec le sommet du triangle dirigé vers le haut. Par sensiblement semi-triangulaire, on entend que le sommet du triangle peut présenter une courbure et que le troisième côté du triangle ne fait pas partie du profil : en d’autres termes, ce profil semi-triangulaire est en forme de V inversé. De ce fait, le liquide est scindé en deux flux dirigés des deux côtés par rapport au sommet du triangle. De préférence, le triangle est isocèle par rapport au sommet ou équilatéral de manière à générer deux flux de débit similaires.
Sur le schéma b), le profil de la section de sortie est plat 77 (ou linéaire). En d’autres termes, il est formé par un segment de droite. Ainsi, le liquide peut s’écouler sur toute la surface sans générer de zone de concentration et il est distribué tout autour de la section de sortie. L’inertie du liquide est donc répartie.
Sur les schémas c) et d), le profil de la section de sortie est semi-circulaire.
Sur le schéma c), le dispositif d’accompagnement de liquide comprend des déflecteurs 78 qui découpent le dispositif d’accompagnement de liquide en plusieurs compartiments permettant ainsi d’éviter la concentration du liquide dans une seule zone (la zone centrale par exemple). Pour se faire, les déflecteurs 78 s’étendent de préférence depuis la section d’entrée jusqu’à la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide et suivent la variation du profil de section. Les déflecteurs peuvent être utilisés quel que soit le profil de la section de sortie.
Sur le schéma d), le dispositif d’accompagnement de liquide comprend des fentes (ou des ouvertures) permettant au liquide de s’échapper vers le bas. Ainsi, on peut distribuer progressivement le liquide vers le bas. Les fentes peuvent être utilisées quel que soit le profil de la section de sortie. La variation de la section du dispositif d’accompagnement, depuis la section d’entrée semi- circulaire à la section de sortie, quel que soit son profil, est progressive, continue et sans discontinuité de pente.
La combinaison des déflecteurs et des fentes est également possible, et ce quel que soit le profil de la section de sortie.
La figure 8 illustre, de manière schématique et non limitative, un premier exemple de profil de sortie concave du dispositif d’accompagnement de liquide.
La section de sortie du dispositif d’accompagnement est semi-elliptique et représentée par le trait continu noir sur la figure. Le cercle de diamètre D représenté par les traits pointillés représentent la section de sortie du dernier coude (de laquelle part la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide), ramenée dans le plan de la section de sortie. L’axe z représente l’axe vertical et l’axe x” un axe horizontal.
Grâce à cette figure, on peut observer que la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide est plus grande que la section d’entrée.
De plus, le profil elliptique de la section de sortie est défini par une ellipse de centre c, de demi- grand-axe selon l’axe X” de longueur E et de demi petit-axe selon l’axe z de longueur F. Les axes X” et z sont définis par le profil circulaire de la sortie du coude de diamètre D. Le profil elliptique est ouvert avec une ouverture définie par l’angle ip. Le centre c de l’ellipse est distant d’une longueur G par rapport à l’axe X” et d’une longueur H par rapport à l’axe z, H étant nulle sur la figure. o La longueur E est comprise entre D/4 et 5D, et préférentiellement entre D/2 et 3D o La longueur F est comprise entre D/4 et 5D, et préférentiellement entre D/2 et 3D o L’angle ip est compris entre 10° et 350° et préférentiellement entre 90° et 180°. o La longueur G est comprise entre 0,1 F et F et préférentiellement entre 0 et F/2. o La longueur H est comprise entre -E et E et préférentiellement entre -E/2 et E/2. Sur cette figure, on peut observer que les extrémités 82 et 83 de la section de sortie sont symétriques par rapport à l’axe vertical z. Cette symétrie sur la section de sortie permet de distribuer le liquide efficacement, mais cette symétrie n’est pas obligatoire.
Le profil elliptique a l’avantage, par rapport au profil circulaire, d’augmenter la surface sur laquelle porte le liquide. Ainsi, on peut réduire la vitesse du liquide et ainsi limiter sa quantité de mouvement.
La figure 9 illustre, de manière schématique et non limitative un deuxième exemple de profil de sortie convexe du dispositif d’accompagnement de liquide.
La section de sortie du dispositif d’accompagnement est semi-elliptique inversée (par rapport à la figure 8) et représentée par le trait continu noir sur la figure. Le cercle de diamètre D représenté par les traits pointillés représentent la section de sortie du dernier coude (de laquelle part la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide), ramenée dans le plan de la section de sortie. L’axe z représente l’axe vertical et l’axe X” un axe horizontal.
Grâce à cette figure, on peut observer que la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide est plus grande que la section d’entrée.
De plus, le profil elliptique inversé de la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide est défini par une ellipse inversée de centre C’, de demi grand axe selon l’axe X” de longueur E1 et de demi petit axe selon l’axe z de longueur F1 . Les axes X” et z sont définis par le profil circulaire de la sortie du dernier coude de diamètre D. Le profil elliptique est ouvert avec une ouverture définie par l’angle i 1. Le centre C’ de l’ellipse est distant d’une longueur Gbis par rapport à l’axe X” et d’une longueur H1 par rapport à l’axe z, la longueur H1 étant nulle sur le schéma. o La longueur E1 est comprise entre D/4 et 5D, et préférentiellement entre D/2 et 3D o La longueur F1 est comprise entre D/4 et 5D, et préférentiellement entre D/2 et 3D o L’angle i 1 est compris entre 10° et 350° et préférentiellement entre 90° et 180°. o La longueur Gbis est comprise entre 1 ,1 F et 2F et préférentiellement entre F et 1.5F. o La longueur H1 est comprise entre -E et E et préférentiellement entre -E/2 et E/2. L’avantage de ce profil est un peu similaire à celui du profil triangulaire du schéma a) de la figure 6 : il permet de scinder le flux de liquide en deux, de part et d’autre du sommet de l’ellipse S1 , le sommet de l’ellipse S1 étant le point verticalement le plus haut de la section semi elliptique inversée.
Sur cette figure, on peut observer que les extrémités 84 et 85 de la section de sortie sont symétriques par rapport à l’axe vertical z. Cette symétrie sur la section de sortie permet de distribuer le liquide efficacement, mais cette symétrie n’est pas obligatoire.
La figure 10 illustre, de manière schématique et non limitative un troisième exemple de profil de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide.
La section de sortie du dispositif d’accompagnement est plate (ou linéaire) formant un segment de droite, et représentée par le trait continu noir sur la figure. La section de sortie est formée par un segment de droite de longueur L1. Le cercle de diamètre D représenté par les traits pointillés représentent la section de sortie du dernier coude (de laquelle part la section d’entrée du dispositif d’accompagnement de liquide), ramenée dans le plan de la section de sortie. L’axe z représente l’axe vertical et l’axe X” un axe horizontal.
Grâce à cette figure, on peut observer que la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide est plus grande que la section d’entrée, la longueur L1 étant supérieure à D.
De plus, le profil plat formant un segment de droite, de la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide est défini par le segment de centre cter et de longueur L1. Le centre cter (correspondant au milieu du segment de longueur L1 ) se trouve à une longueur Gter de l’axe X” et Hter par rapport à l’axe z, la longueur Hter étant nulle sur le schéma. Le segment de longueur L1 forme un angle 5 avec l’axe vertical. o La longueur L1 est comprise entre D/4 et 5D et préférentiellement entre D/2 et 3D. o La longueur Gter est comprise entre 0,1 D et 4D et préférentiellement entre D et 2D. o La longueur Hter est comprise entre -2D et 2D et préférentiellement entre -D et D. o L’angle 5 est compris entre 60° et 120°, de préférence entre 80° et 100°. Ce profil distribue efficacement le liquide et évite les zones de concentration de liquide.
Sur cette figure, on peut observer que le segment de longueur L1 est orthogonal à l’axe vertical (angle 5 égal à 90°) et que le centre cter est situé sur l’axe vertical. Ainsi le segment de longueur L1 est symétrique par rapport à l’axe vertical z. Exemples
La figure 11 est un exemple de comparaison de l’impact du liquide sortant de l’élément de séparation gaz-liquide 27 d’un système conforme à la demande US 2019/270 941 de l’art antérieur et d’un élément de séparation gaz-liquide 27 avec un dispositif d’accompagnement de liquide de type toboggan conforme à l’invention.
Les schémas a) et b) illustrent le niveau de turbulence générée par l’impact du liquide sur la surface de l’interface gaz-liquide 24. Ces schémas sont issus par des simulations numériques CFD (Computational Fluid Dynamics). Le schéma a) correspond à l’art antérieur de la demande US 2019/270 941 et le schéma b) correspond à la configuration de la Figure 4 selon l’invention.
La variation de niveaux de gris représentant la fraction volumique de liquide qui est nulle pour le niveau de gris le plus clair (gaz pur) et représentée en noir lorsque le fluide est totalement liquide.
Le tableau [Table 1 ] donne les paramètres géométriques utilisés pour les simulations numériques.
[Table 1] Pour ces simulations, l’interface gaz-liquide est positionnée à 0,6 m de l’axe de la section de sortie du dispositif d’accompagnement de liquide.
Les données suivantes sont utilisées pour les modèles numériques :
- Le modèle est de type Euler-Euler avec un liquide continu et un gaz dispersé avec des diamètres de bulles pris égaux à 1 mm ;
L’interaction gaz-liquide suit une loi de traînée de type Schiller-Naumann ;
- La turbulence suit une loi k-e realizable.
- Le liquide a une masse volumique de 738,6 kg/m3 et une viscosité de 0,48 cP (cP correspondant à l’unité centipoise ; 1cP=0,001 Pa.s) ;
- Le gaz a une masse volumique de 50,89 kg/m3 et une viscosité de 0,024 cP (cP correspondant à l’unité centipoise ; 1cP=0,001 Pa.s) ;
- Le débit à l’entrée de l’élément de séparation est de 7,886 kg/s pour le liquide et de 0,394 kg/s pour le gaz.
Sur le schéma a) de l’art antérieur, on observe la création d’une vague importante (représentée par les variations de gris sur le schéma qui témoigne d’un mélange gaz-liquide dans cette zone) au niveau de l’interface gaz-liquide 24. Il se produit donc des turbulences importantes au niveau de l’interface gaz-liquide 24 dû à l’impact de liquide. Ces turbulences peuvent être à l’origine de moussage.
Sur le schéma b) de l’invention, on observe que l’interface gaz-liquide 24 (variation de gris) n’est pas perturbée. Le niveau de turbulence est donc considérablement réduit grâce au dispositif de l’invention. Par conséquent, on peut aussi réduire le risque de moussage.
Ainsi, l’invention permet donc bien de limiter les turbulences et les risques de moussage au niveau de l’interface gaz-liquide.

Claims

Revendications ) Dispositif de séparation gaz-liquide comprenant une pluralité d’éléments de séparation (27) et (28) fonctionnant en parallèle et implantés verticalement, chaque élément de séparation (27, 28) possédant un conduit d’admission (70) du mélange gaz-liquide, et une succession d’au moins deux coudes (71 , 72), un premier coude (71 ) situé dans le plan (zy) défini par l’axe z sensiblement vertical, et un axe y appartenant au plan (xy) perpendiculaire à l’axe z, l’axe du premier coude (71 ) étant défini par un premier angle d’orientation a par rapport à l’axe vertical z compris entre 45° et 315°, de préférence entre 60° et 300°, et de manière préférée entre 80° et 200°, et un deuxième coude (72) dont l’axe forme un deuxième angle d’orientation p avec l’axe du premier coude (71 ) compris entre 1 ° et 135°, de préférence entre 10° et 1 10°, et de manière préférée entre 30° et 100°, le premier coude (71 ) et le deuxième coude (72) étant séparés d’une distance D1 comprise entre D/2 et 4D, et préférentiellement comprise entre D/2 et 2D, D étant le diamètre du conduit d’admission (70), caractérisé en ce que chaque élément de séparation (27, 28) comprend un dispositif d’accompagnement du liquide (73), le dispositif d’accompagnement du liquide (73) étant positionné à l’extrémité de sortie du dernier coude de la succession d’au moins deux coudes, le dispositif d’accompagnement du liquide (73) étant ouvert, tout le long du dispositif d’accompagnement du liquide dans le sens de circulation du fluide dans ce dispositif d’accompagnement du liquide depuis une section d’entrée (Se) jusqu’à une section de sortie (So), et la section de sortie (So) du dispositif d’accompagnement du liquide (73) étant positionnée verticalement en dessous de la section d’entrée (Se) du dispositif d’accompagnement du liquide (73). ) Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le deuxième coude (72) forme un angle avec le plan (zy), compris entre 1 ° et 90°, de préférence entre 1 et 45° et de manière encore préférée entre 1 ° et 20°. ) Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif d’accompagnement de liquide (73) comprend au moins un déflecteur (78) et/ou au moins une fente (79). ) Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif d’accompagnement de liquide (73) est ouvert selon un angle d’ouverture (w) compris entre 60° et 179°, de préférence entre 90° et 150° et de manière encore préférée entre 100° et 130°, par rapport à la ligne neutre du dispositif d’accompagnement de liquide. ) Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la hauteur verticale (H) du dispositif d’accompagnement de liquide (73) est comprise entre D/2 et 8D, de préférence entre 2D et 5D. ) Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la section d’entrée (Se) du dispositif d’accompagnement de liquide (73) et la section de sortie (So) du dispositif d’accompagnement de liquide (73) forment un angle de rotation (Y), dans le plan (x,y), ledit angle de rotation (Y) étant compris entre 45° et 200°, de préférence entre 90° et 180°. ) Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la section de sortie (So) du dispositif d’accompagnement de liquide (73) a un profil elliptique, ou un profil plat formant un segment de droite. ) Réacteur fluidisé triphasique pour l’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en présence d’hydrogène sous forte pression, le réacteur comprenant une zone de recycle (39) constituée de l’hémisphère supérieur du réacteur et limitée à la partie inférieure par une surface configurée pour permettre le retour dans la zone catalytique du liquide séparé, la zone de recycle (39) comprenant un dispositif de séparation gaz-liquide selon l’une des revendications précédentes. ) Procédé d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en lit fluidisé triphasique utilisant le dispositif de séparation gaz-liquide selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les conditions opératoires sont les suivantes :
- Une pression absolue comprise entre 2 MPa et 35 MPa, de préférence entre 5 MPa et 25 MPa, et de manière encore préférée, entre 6 MPa et 20 MPa, et à
- Une température comprise entre 300°C et 550°C, de préférence comprise entre 350 et 500°C, et d’une manière encore préférée comprise entre 370°C et 430°C, la plage de température privilégiée se situant entre 380°C et 430°C. 0) Procédé d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en lit fluidisé triphasique selon la revendication 10, dans lequel la vitesse superficielle de l’écoulement ascendant à l’intérieur de chaque conduit d’admission (70) est comprise entre 0,1 m/s et 20 m/s, préférentiellement entre 0,2 m/s et 15 m/s, et de manière encore préférée comprise entre 0,3 m/s et 10 m/s. 1 ) Procédé d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes en lit fluidisé triphasique selon l’une des revendications 10 ou 1 1 , dans lequel la fraction volumique du liquide dans le conduit d’admission est comprise entre 0,05 et 0,95, de préférence entre 0,1 et 0,8 et de manière encore préférée entre 0,3 et 0,6.
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