FR2925519A1 - Dispositif de degradation/transformation des huiles lourdes et procede. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne : - un procédé de dégradation d'huiles lourdes comprenant les étapes suivantes : mélanger des huiles lourdes et au moins un vecteur apte à dégager de la chaleur sous l'effet d'un champ magnétique, agiter le mélange, appliquer un champ magnétique tel que le mélange est chauffé, et séparer au moins deux coupes, dont l'une est plus légère que l'autre, et- un dispositif comprenant un réacteur, un agitateur, au moins une huile lourde, un vecteur apte à créer de la chaleur lorsque soumis à un champ magnétique, et un générateur de champ magnétique,ledit dispositif étant apte à permettre au vecteur de dégager suffisamment de chaleur pour permettre une séparation de l'huile lourde en deux fractions, l'une étant plus légère que l'autre.
Description
DISPOSITIF DE DEGRADATION/TRANSFORMATION DES HUILES LOURDES ET PROCEDE
La présente invention concerne le domaine de la 5 dégradation/transformation des huiles lourdes en huiles utilisables d'une part et en coke d'autre part.
L'invention porte plus précisément sur un dispositif, un procédé et l'utilisation du dispositif pour dégrader des huiles lourdes et 10 particulièrement leurs résidus, en particulier huiles lourdes issues des sables bitumineux.
La dégradation des huiles lourdes en deux fractions, l'une étant plus légère que l'autre est bien connu dans le domaine pétrolier. Le 15 procédé le plus classique est un procédé consistant à chauffer les huiles lourdes à une température suffisante pour effectuer une distillation destructive dans laquelle une portion des huiles lourdes est convertie, ou craquée, en produits hydrocarbonés plus légers et une autre portion est convertie en coke de pétrole, matériau comprenant 20 majoritairement du carbone.
Classiquement, la réaction décrite ci-dessus est effectuée dans des cokeurs. Ceux-ci présentent généralement pour inconvénient de nécessiter une très grande quantité d'énergie pour fonctionner et d'avoir 25 un rendement en fractions légères faible.
Parmi les techniques décrites dans l'art antérieur on peut tout particulièrement citer celle présentées dans les demandes de brevet français FR 2 227 047 et FR 2 308 411. Ces demandes de brevet 30 décrivent des appareils et des procédés endothermiques dans lesquels au moins une partie de la quantité d'énergie pour la réaction est produite à l'intérieur d'une chambre de réaction comprenant un lit présentant une certaine conductivité ou résistivité par induction électrique au moyen d'une bobine d'induction traversée par un courant 35 alternatif et disposée à l'extérieur de la chambre de réaction. Cependant, ces demandes de brevets impliquent la présence d'un lit fixe de coke présentant une certaine conductivité, notamment afin de
faire du coke. Dans ces procédés, le coke est consommé dans des réactions chimiques souhaitées, comme la transformation du fer en acier.
Dans le cas du craquage d'huiles lourdes, un lit fixe serait très rapidement bouché par le coke produit, celui-ci n'étant pas évacué mais s'accumulant. Hors, il est difficile de maîtriser parfaitement tous les paramètres du coke formé. Ainsi, le procédé décrit présente notamment l'inconvénient de ne pas permettre de maîtriser totalement le procédé dans la mesure où le lit de coke peut présenter des caractéristiques variables et non contrôlables. D'autre part, le dispositif décrit que le lit est fluidisé, par exemple via l'envoi d'un gaz au fond du réacteur, ce qui ajoute encore que des contrôles supplémentaires soient effectués.
Ainsi, il subsiste un besoin pour un dispositif et un procédé permettant de résoudre en tout ou partie les problèmes cités ci-dessus, mais aussi de permettre d'améliorer les dispositifs et/ou procédés connus notamment en terme de contrôle, de quantité d'énergie nécessaire, de coût de fonctionnement, de rendement, de résidus non souhaités et/ou non valorisables créés, de facilité d'entretien et/ou de mise en place, par exemple pour effectuer ces réactions in situ, ou encore de recyclage des matériaux utilisés.
Selon un premier aspect, l'invention a pour objet un procédé de dégradation d'huiles lourdes comprenant les étapes suivantes : - mélanger des huiles lourdes et au moins un vecteur apte à dégager de la chaleur sous l'effet d'un champ magnétique, - agiter le mélange, - appliquer un champ magnétique tel que le mélange est 30 chauffé, et - séparer au moins deux coupes, dont l'une est plus légère que l'autre.
On entend par procédé de dégradation , au sens de la présente 35 invention un procédé de dégradation et/ou de transformation.
La problématique de la conversion des huiles lourdes est différente de celle des cokeurs, et dans ce cas il est souhaitable d'éviter au maximum de faire du coke, en particulier pour augmenter le rendement en produits liquides et/ou pour ralentir le plus possible l'encrassement et/ou le bouchage du réacteur. D'autre part, dans le cas d'un lit chauffé par induction, le bouchage à cause du cokage est quasi-inévitable voire inévitable, car il s'agit d'une conséquence même de ce que l'on souhaite faire.
Or, en utilisant des particules en suspension (en quelque sorte semblable à un lit fluidisé) le coke se dépose sur les particules, les particules peuvent être soutirées, et diminuer, voire éviter, le bouchage du réacteur et/ou il est possible de diminuer la formation de coke.
Parmi les avantages de la présente invention on peut encore citer le recyclage des particules de fer, par exemple par brûlage du coke déposé sur la surface.
Le vecteur peut notamment comprendre, voire être constitué, de 20 particules. Ces particules peuvent présenter un diamètre inférieur ou égal à 1 mm, notamment inférieur ou égal à 500 m, voire inférieur ou égal à 250 m. Ces particules peuvent présenter un diamètre moyen allant de 10 25 micromètres à 10 mm, notamment de 100 micromètres à 1 mm. Par diamètre moyen allant de X à Y , on entend au sens de la présente invention qu'au moins 90 % en nombre des particules présentent un diamètre maximum allant de X à Y.
30 Tout particulièrement, le vecteur peut comprendre, et notamment être constitué, d'atomes et/ou de molécules conductrices, et en particulier ferromagnétiques. La conductivité peut notamment être supérieure ou égale à 1, notamment être supérieure ou égales à 3, voire être supérieure ou égale 35 à 5 (Ohm.m)-1.
La quantification de l'aspect ferro-magnétique peut se faire à travers de la "perméabilité", g. La perméabilité est définie par rapport à la perméabilité du vide, g0 : g= g0xgr, avec gr qui est la perméabilité relative et g0 = 4 x pi x 10-7 H/m. Les matériaux diamagnétiques et paramagnétiques ont une gr proche de 1, alors que les matériaux ferro-magnétiques ont une gr très élevée même dans un champ magnétique faible.
Le vecteur peut comprendre ou être constitué de particules présentant une teneur supérieure ou égale à 40 %, notamment une teneur supérieure ou égale à 60 %, en particulier une teneur supérieure ou égale à 80 %, voire une teneur supérieure ou égale à 90 %, et tout particulièrement une teneur supérieure ou égale à 95 %. Les particules peuvent comprendre uniquement des atomes et/ou des molécules conductrices et/ou ferromagnétiques. Tout particulièrement en début de procédé, le vecteur est constitué de particules comprenant au moins 98 %, voire constituées, d'atomes et/ou de molécules conductrices et/ou ferromagnétiques.
Parmi les atomes et les molécules conductrices et/ou ferromagnétique, on peut citer, le Fer et le Cobalt.
Dans ce procédé, la température de chauffage du vecteur, notamment des particules peut notamment être inférieure à la température critique au-dessus de laquelle les matériaux perdent leurs propriétés ferro-magnétiques, et redeviennent para-magnétiques (température Curie du matériau, Tc). La température de chauffage du vecteur, en particulier des particules, notamment de Fer, peut notamment être inférieure à 750°C, 30 notamment à 700°C, et en particulier aller de 450 à 700°C.
Dans le procédé, les particules peuvent être recouvertes, en tout ou partie, par du coke formé durant la réaction. Cependant, ces particules peuvent cependant continuer à produire leur effet, 35 notamment en permettant de dégager de la chaleur. Le vecteur peut être présent en une quantité supérieure ou égale à 5 % en poids, notamment supérieure ou égale à 10 % en poids, en particulier supérieure ou égale à 15 % en poids, voire supérieure ou égale à 20 % en poids par rapport au poids d'huiles lourdes présentes au départ. Selon une variante, le vecteur est réutilisable, notamment par 5 brûlage du coke. En particulier, durant la mise en oeuvre du procédé le vecteur est prélevé en continu, traité de manière à être régénéré, puis remis dans le mélange réactionnel. Un retrait en continu du vecteur usé, par exemple par le biais 10 d'une jambe de décantation ou par séparation dans un champ magnétique, suivi d'une régénération du vecteur peut permettre le recyclage du vecteur. Le prélèvement du vecteur peut par exemple être effectué par des aimants ou par tout autre effet d'un champ magnétique. 15 Le procédé peut permettre que la teneur en contaminants métalliques, tel que le nickel et le vanadium, est au moins 5 fois, notamment au moins huit fois, voire au moins dix fois inférieure à la teneur en contaminants métalliques, tel que le nickel et le vanadium, 20 des huiles lourdes de départ.
Le procédé est appliqué à des huiles lourdes. Par huile lourde , on entend au sens de la présente invention des huiles avec : densité à 15 °C (en °API): supérieure ou égale à 7, et 25 viscosité (en cP à conditions réservoir) supérieure ou égale à 10.
Tout particulièrement, ces huiles lourdes sont des mélanges d'hydrocarbures, comportant des impuretés comme le soufre, l'azote, 30 des métaux, etc, et dont une certaine partie (5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, voire 100 % en poids) présente une température d'ébullition supérieure à 500, 510, 520, 530, 540, voire 560 °C.
Plus particulièrement, les huiles lourdes peuvent être les 35 suivantes (densité d (en °API), et viscosité g (en cP à conditions réservoir)) : Classe A : Huiles Lourdes, 25>d>18, 10<g<100
Classe B : Huiles Extra Lourdes, 20>d>7, 100<g<10000 Classe C : Bitume, 12>d>7, g>10000 Classe D : schistes bitumineux.
Les huiles lourdes présentes au début de la réaction peuvent comprendre une teneur en fraction 560+ supérieure ou égale à 20 % en poids, notamment supérieure ou égale à 30 % en poids, voire supérieure ou égale à 35 % en poids par rapport au poids total des huiles lourdes présentes au départ.
Le procédé peut permettre que la teneur en fraction 560+ de l'effluent léger soit au moins 5 fois, notamment au moins huit fois, voire au moins dix fois inférieure à la teneur en fraction 560+ des huiles lourdes de départ.
Le procédé peut permettre une conversion de la fraction 560+ en fraction plus légère, par exemple une conversion d'au moins 20 % en poids, en particulier d'au moins 30 % en poids, notamment d'au moins 40 % en poids, tout particulièrement d'au moins 50 % en poids, voire, d'au moins 60% en poids, encore plus particulièrement d'au moins 70 %pds, voire même d'au moins 80 % en poids par rapport au poids total de la fraction 560+ de départ.
Le procédé comprend une agitation du mélange. Cette agitation est utile, voire nécessaire, afin de permettre au vecteur de ne pas s'accumuler au fond ou à la surface de du mélange, voire d'être réparti de manière sensiblement en suspension dans les coupes hydrocarbonées. Cette agitation peut être effectuée uniquement en début de réaction, notamment pendant au moins 10 min, en particulier au moins 15 min, voire au moins 30 min.
Selon un mode de réalisation particulier l'agitation a lieu pendant toue la durée durant laquelle un champ magnétique est appliqué. L'agitation peut être continue ou discontinue. Cependant, dans le cas où elle est discontinue, le mélange peut être tout de même sans cesse en mouvement.
L'agitation peut être telle que le vecteur est en suspension dans les huiles lourdes.
Elle peut être effectuée via un agitateur mécanique, ou un bullage de gaz, comme l'hydrogène ou l'azote, ou encore par un déplacement de la bobine d'induction, en effet, les vecteurs sont attirés par le champ et la suivent.
Selon une autre variante le vecteur peut se présenter sous forme de grillage, de cylindre, ou encore d'autre forme géométrique, qui se déplacerait dans le champ magnétique.
L'agitation peut notamment permettre à la suspension de 10 présenter une vitesse de déplacement mesurée à 5 cm de la paroi du réacteur d'au moins 0,1 m/s.
Selon un de ses aspects, l'invention a également pour objet l'application d'un champ magnétique obtenu par application d'un 15 courant alternatif à une source d'hydrocarbures lourds, par exemple des schistes bitumineux, afin de permettre une dégradation in situ permettant l'obtention d'au moins une fraction légère.
Selon un autre aspect, l'invention a encore pour objet un 20 dispositif comprenant un réacteur, un agitateur, au moins une huile lourde, un vecteur apte à créer de la chaleur lorsque soumis à un champ magnétique, un générateur de champ magnétique apte à permettre au vecteur de dégager suffisamment de chaleur pour permettre une séparation de l'huile lourde en deux fractions, l'une étant 25 plus légère que l'autre.
Le générateur peut comprendre, ou consister en, des spires de matériau conducteur, notamment du cuivre.
30 Tout particulièrement, le courant appliqué aux spires est un courant alternatif, notamment de fréquence allant de 1 kHz à 10 MHz, en particulier allant de 10 kHz à 1 Mhz, notamment allant de 100 kHz à 500 kHz. La puissance peut notamment aller de 0,1 à 1 000 kW, en 35 particulier de 0,5 à 500 kW, voire de 1 à 100 kW. L'intensité peut aller de 10 mA à 100 A, notamment de 100 mA à 1O A.
Bien entendu, ces valeurs peuvent être réglées par l'Homme du Métier, selon le réacteur, la charge, la vitesse de réaction, et toutes les conditions opératoires variables.
Selon une variante, le générateur de champ magnétique est placé à l'extérieur du réacteur. Dans ce cas, bien entendu, le réacteur doit permettre le passage du champ magnétique.
Selon une autre variante, le générateur de champ magnétique est placé à l'intérieur du réacteur. Dans ce cas, les éléments du générateur créant le champ magnétique, comme par exemple les spires, peuvent être protégées et/ou isolées du milieu réactionnel.
Le générateur de champ magnétique présent dans le dispositif peut en particulier développer un champ magnétique dans au moins une partie, voire dans tout le réacteur, tel que le vecteur peut permettre de chauffer le mélange de manière à ce que les huiles lourdes soient dégradées en deux fractions, l'une étant plus légère que l'autre.
L'intérieur du réacteur peut être revêtu, en tout ou partie, d'un matériau permettant d'éviter, en partie ou totalement, que des particules ne viennent adhérer aux parois et/ou au fond du réacteur.
Le réacteur peut être surmonté d'un dispositif permettant la condensation de la ou des fraction(s) légère(s) qui sont sous forme de vapeur lorsque le milieu réactionnel est chauffé. Un tel dispositif peut notamment être un condenseur à eau, une colonne de fractionnement, ou alors des échangeurs thermiques (condensation effluents gazeux/préchauffe de la charge) entre des séparateurs.
Brève description des figures : La figure 1 représente schématiquement un dispositif permettant la mise en oeuvre d'un procédé de craquage d'huiles lourdes.
La figure 1 représente un dispositif 1 comprenant un réacteur 2, un agitateur mécanique 3, un condenseur 4. Le réacteur 2 comprend une suspension 7 d'huile lourde et de vecteur. Le dispositif 1 est
entouré de spires 5 permettant de générer un champ magnétique. Les spires 5 sont reliées à une source d'électricité 6 délivrant un courant alternatif.
Selon un autre de ses aspects, l'invention a encore pour objet l'utilisation d'un dispositif tel que défini ci-dessus permettant la mise en oeuvre d'un procédé de préparation d'une fraction légère à partir d'huiles lourdes.
Les exemples ont été réalisés dans un réacteur consistant en un tube en verre de 35 mm de diamètre et de 30 cm de haut dans lequel les coupes hydrocarbonées et les particules de métal sont placées. Le réacteur est équipé d'un agitateur mécanique pour que les particules restent en suspension. Au dessus du réacteur est placé un condensateur à eau permettant la condensation du produit et son retour dans le réacteur. Le four a induction consiste en une spirale de cuivre à 18 spires de diamètre interne de 40 mm et de 120 mm de hauteur. Le courant est fourni par un générateur Easyheat 2,4 kW . La spirale et le générateur sont commercialisés par Ameritherm France. La temperature a ete mesuree de manière discontinue en coupant le courant et en introduisant un thermocouple dans le réacteur.
Les particules métalliques utilisées sont des particules de Fer (référence Iron Powder, puriss., <212 micromètres, Riedel de Haën, produit n° 12310). Sauf indication contraire, le produit de départ des exemples est la coupe hydrocarbonée définie dans le tableau 1.
Exemple comparatif 1 La coupe hydrocarbonée (70 g) est ajoutée dans le réacteur. Un courant électrique alternatif de 330 mA et de 600 W est appliqué à la spirale en cuivre pendant 10 minutes.
Aucune élévation de température n'est observée. Exemple 2
La paraffine, coupe 370-560 hydrotraitée en vue de craquage sur FCC, (70 g) et la poudre de fer (14 g) sont ajoutées dans le réacteur. Un courant alternatif de 330 mA et de 600 W est appliqué à la spirale en cuivre pendant 0,5 heures. La température du mélange a augmentée.
Cet exemple permet de constater que sans agitation les particules de fer sont attirées par la spirale et viennent se coller sur toute la hauteur de la spirale à la paroi du réacteur lorsque le courant est appliqué à la spirale.
Exemple 3 La coupe hydrocarbonée (70 g) et les particules de fer (21 g) sont ajoutées au réacteur. Une agitation mécanique (500 tpm) est effectuée pendant toute la durée de la réaction. Un courant électrique alternatif (fréquence constante de 180 kHz) de 330 mA et de 1 000 W est appliqué pendant 1 heure. Les résultats sont présentés dans le tableau 1.
Exemple 4 La coupe hydrocarbonée (70 g) et les particules de fer (21 g) sont ajoutées au réacteur. Une agitation mécanique (500 tpm) est effectuée pendant 1 min. Un courant électrique alternatif de 180 kHz, de 330 mA et de 1 000 W est appliqué pendant 1 heure. Les résultats sont présentés dans le tableau 1.
Tableau 1 Produit de Produit Amélioration départ (exemple 3 + 4) moyenne* Densité à 15°C 0,9694 0,9329 3,6 % (g/ ml) Viscosité à 40,62 5, 06 87,5 % 100°C (mm2/s) Soufre (% en 3,198 2,673 16,4 % poids) Ni (ppm) 18,9 2,2 88,4 % V (ppm) 61,5 7,2 89,3 % Carbon Core 9,72 3,67 62,3 % Hudson (% en poids) Asphaltènes 2,84 0,43 84,9 % (% en poids) N total (ppm) 2863 1799 37,2 % N basique 658 605 8,0 % (PPm) Balance des 100 72,8 27,2 % masses (% en poids) Fraction 560+ 37,5 3,6 91,4 % (% en poids) * Amélioration moyenne : 100-[(produit exemple 3 + 4)/produit de 5 départ] x 100
Ces exemples montrent un bon rendement de conversion de la fraction de départ type huiles lourdes dans la mesure où il est obtenu 73 % de produit comprenant seulement 7 % en masse de fraction 560+ 10 (fraction dont le point d'ébullition est supérieur à 560°C à pression atmosphérique). Les exemples montrent également que les produits obtenus présentent une viscosité améliorée, et des teneurs en composés indésirables (Asphaltènes, Soufre, Nickel, Vanadium, ...) nettement diminuées. Ainsi ces exemples démontrent que l'invention permet d'obtenir une distillation destructive permettant l'obtention d'une fraction légère avec un procédé simple à mettre en oeuvre, peu coûteux, et nécessitant peu de contrôles, ainsi qu'une réduction de la densité et de la viscosité, une bonne réduction de la teneur en contaminants : Ni, V, Conradson carbon residue, asphaltènes, soufre, azote, et une bonne conversion de la fraction la plus lourde (560+), ainsi que la démétallation (Ni,V) par capture des particules ferro-magnétiques.
Claims (9)
1. Procédé de dégradation d'huiles lourdes comprenant les étapes suivantes : - mélanger des huiles lourdes et au moins un vecteur apte à dégager de la chaleur sous l'effet d'un champ magnétique, - agiter le mélange, -appliquer un champ magnétique tel que le mélange est chauffé, et - séparer au moins deux coupes, dont l'une est plus légère que l'autre.
2. Procédé de dégradation d'huiles lourdes selon la revendication 1, caractérisé en ce que le vecteur comprend, voire est constitué, de particules, notamment présentant un diamètre moyen allant de 10 micromètres à 10 mm, et en particulier allant de 100 micromètres à 1 mm.
3. Procédé de dégradation d'huiles lourdes selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le vecteur comprend ou est constitué d'atomes et/ou de molécules conductrices, et en particulier ferromagnétiques, notamment de fer et de cobalt.
4. Procédé de dégradation d'huiles lourdes l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que le vecteur est présent en une quantité supérieure ou égale à 5 % en poids, notamment supérieure ou égale à 10 % en poids, en particulier supérieure ou égale à 15 % en poids, voire supérieure ou égale à 20 % en poids par rapport au poids d'huiles lourdes présentes au départ.
5. Procédé de dégradation d'huiles lourdes selon l'une quelconque des revendication 1 à 4, caractérisé en ce que la teneur en contaminants métalliques, tel que le nickel et le vanadium, est au moins 5 fois, notamment au moins huit fois, voire au moins dix fois inférieure à la teneur en contaminants métalliques, tel que le nickel et le vanadium, des huiles lourdes de départ.
6. Procédé de dégradation d'huiles lourdes selon l'une quelconque des revendication 1 à 5, caractérisé en ce que la teneur en fraction 560+ de la fraction plus légère est au moins 5 fois, notamment au moins huit fois, voire au moins dix fois inférieure à la teneur en fraction 560+ des huiles lourdes de départ.
7. Procédé de dégradation d'huiles lourdes selon l'une quelconque des revendication 1 à 6, caractérisé en ce que l'agitation est telle que le vecteur est en suspension dans les huiles lourdes.
8. Procédé de dégradation d'huiles lourdes selon l'une quelconque des revendication 1 à 6, caractérisé en ce que les huiles lourdes de départ comprennent une teneur en fraction 560+ supérieure ou égale à 20 % en poids, notamment supérieure ou égale à 30 % en poids, voire supérieure ou égale à 35 % en poids par rapport au poids total des huiles lourdes de départ.
9. Dispositif comprenant : - un réacteur, - un agitateur, - au moins une huile lourde, - un vecteur apte à créer de la chaleur lorsque soumis à un champ magnétique, et - un générateur de champ magnétique, ledit dispositif étant apte à permettre au vecteur de dégager suffisamment de chaleur pour permettre une séparation de l'huile lourde en deux fractions, l'une étant plus légère que l'autre. 14. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le 30 générateur de champ magnétique comprend, ou consiste en, des spires de matériau conducteur, notamment du cuivre.... 15. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les spires de matériau conducteur sont soumises à un courant 35 alternatif.12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un condenseur. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, 5 caractérisé en ce que le générateur de champ magnétique est placé à l'intérieur du réacteur. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le générateur de champ magnétique est placé à 10 l'extérieur du réacteur. 15. Utilisation du dispositif tel que défini selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, pour la mise en oeuvre d'un procédé de préparation d'une fraction légère à partir d'huiles lourdes. 15
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