FR3060413A1 - Procede d'hydrotraitement de charges lourdes en reacteur radial multitubulaire - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'hydrotraitement en lit fixe d'une charge hydrocarbonée lourde comprenant les étapes suivantes : • on introduit de manière commune ladite charge sous forme liquide et de l'hydrogène gazeux dans au moins un réacteur radial multitubulaire muni de tubes de distribution et de collecte perméables sur au moins une partie de leur longueur à une phase gazeuse et/ou liquide et imperméables au catalyseur, délimité par une calandre s'étendant selon un axe vertical, par un moyen d'entrée situé en haut dudit réacteur, • on distribue ladite charge et l'hydrogène au moyen d'au moins deux tubes de distribution de la charge dans la zone réactionnelle définie entre le plateau de tête et le plateau de fond du réacteur ; • on fait passer la charge en présence d'hydrogène dans des conditions d'hydrotraitement sur le ou lesdit(s) lit(s) fixe(s) de catalyseur d'hydrotraitement ; • on collecte au moyen d'au moins deux tubes de collecte l'effluent produit dans la zone réactionnelle; • On récupère par un moyen de sortie l'effluent réactionnel gaz-liquide en bas dudit réacteur; l'écoulement étant majoritairement descendant.

Description

(57) L'invention concerne un procédé d'hydrotraitement en lit fixe d'une charge hydrocarbonée lourde comprenant les étapes suivantes:
on introduit de manière commune ladite charge sous forme liquide et de l'hydrogène gazeux dans au moins un réacteur radial multitubulaire muni de tubes de distribution et de collecte perméables sur au moins une partie de leur longueur à une phase gazeuse et/ou liquide et imperméables au catalyseur, délimité par une calandre s'étendant selon un axe vertical, par un moyen d'entrée situé en haut dudit réacteur, on distribue ladite charge et l'hydrogène au moyen d'au moins deux tubes de distribution de la charge dans la zone réactionnelle définie entre le plateau de tête et le plateau de fond du réacteur;
on fait passer la charge en présence d'hydrogène dans des conditions d'hydrotraitement sur le ou lesdit(s) lit(s) fixe(s) de catalyseur d'hydrotraitement;
on collecte au moyen d'au moins deux tubes de collecte l'effluent produit dans la zone réactionnelle;
On récupère par un moyen de sortie l'effluent réactionnel gaz-liquide en bas dudit réacteur; l'écoulement étant majoritairement descendant.
Figure FR3060413A1_D0001
i
Domaine technique
L’invention concerne les procédés catalytiques en lit fixe, et plus généralement les procédés d’hydrotraitement de charges lourdes hydrocarbonées, notamment de résidus ou toute hydrogénation de coupes pétrolières pouvant provoquer un colmatage du lit fixe.
Plus particulièrement, la présente invention concerne l’utilisation de réacteurs catalytiques dans lesquels a lieu une circulation radiale de la charge à traiter depuis la périphérie de l'enceinte vers le centre ou depuis le centre de l'enceinte vers sa périphérie.
Dans le cadre de l'invention, on qualifie de radial un écoulement des réactifs se faisant à travers un lit catalytique selon un ensemble de directions correspondant à des rayons orientés depuis la périphérie du réacteur vers le centre du réacteur ou depuis le centre vers la périphérie du réacteur. La présente invention s'applique en particulier à un écoulement radial d'un fluide réactif sous forme gaz et/ou liquide et pour des réacteurs radiaux dans lesquels le lit de catalyseur est fixe.
Art antérieur
Un des problèmes posés par l'hydrotraitement catalytique en lit fixe axial de charges lourdes est le colmatage, surtout dans la partie supérieure du lit. Les lits catalytiques, plus particulièrement les parties supérieures du premier lit catalytique en contact avec la charge, sont susceptibles de se colmater assez rapidement à cause des asphaltènes et sédiments contenus dans la charge, ce qui s'exprime dans un premier temps par une augmentation de la perte de charge et nécessite tôt ou tard un arrêt de l'unité pour le remplacement du catalyseur.
L’homme du métier est donc conduit à arrêter l'unité pour remplacer les premiers lits catalytiques désactivés et/ou colmatés. Les procédés d'hydrotraitement de ce type de charges doivent donc être conçus de façon à permettre un cycle d'opération le plus long possible sans arrêter l'unité.
L’homme du métier a cherché à pallier ces inconvénients des agencements en lits fixes de différentes manières, notamment en utilisant des lits de garde agencés en amont des réacteurs principaux. La principale tâche des lits de garde est de protéger les catalyseurs des réacteurs principaux d'hydrotraitement en aval en effectuant une partie de la démétallation et en filtrant les particules contenues dans la charge qui peuvent conduire au colmatage. Les lits de garde contiennent au moins du catalyseur d’hydrodémétallation, éventuellement complétés par des élément inertes et/ou de pré-lits (grading en anglais) et sont généralement intégrés dans la section d’hydrodémétallation HDM dans un procédé d'hydrotraitement de charges lourdes incluant généralement une première section d'hydrodémétallation, puis une deuxième section d'hydrotraitement HDT. Bien que les lits de garde soient généralement utilisés pour effectuer une première hydrodémétallation et une filtration, d'autres réactions d'hydrotraitement (hydrodésulfuration HDS, hydrodéazotation HDN...) auront inévitablement lieu dans ces réacteurs grâce à la présence d'hydrogène et d'un catalyseur.
La technologie dite PRS (Permutable Reactors System) est décrite dans les brevets FR2681871 et US5417846 de la Demanderesse. Le brevet FR2681871 décrit un procédé d'hydrotraitement en au moins deux étapes d'une fraction lourde d'hydrocarbures contenant des asphaltènes, des impuretés soufrées et des impuretés métalliques dans lequel au cours de la première étape dite d'hydrodémétallation on fait passer, dans des conditions d'hydrodémétallation, la charge d'hydrocarbures et d'hydrogène sur un catalyseur d'hydrodémétallation, puis au cours de la deuxième étape subséquente on fait passer, dans des conditions d'hydrodésulfuration, l'effluent de la première étape sur un catalyseur d'hydrodésulfuration caractérisé en ce que l'étape d'hydrodémétallation comprend une ou plusieurs zones d'hydrodémétallation en lits fixes précédées d'au moins deux zones de garde d'hydrodémétallation également en lits fixes, disposées en série pour être utilisées de façon cyclique consistant en la répétition successive des étapes b) et c) définies ci- après et en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) une étape, dans laquelle les zones de garde sont utilisées toutes ensembles pendant une durée au plus égale au temps de désactivation et/ou de colmatage de l'une d'entre elles, b) une étape, durant laquelle la zone de garde désactivée et/ou colmatée est court-circuitée et le catalyseur qu'elle contient est régénéré et/ou remplacé par du catalyseur frais, et c) une étape, durant laquelle les zones de garde sont utilisées toutes ensembles la zone de garde dont le catalyseur a été régénère au cours de l'étape précédente étant reconnectée et ladite étape étant poursuivie pendant une durée au plus égale au temps de désactivation
Cette technologie permet un allongement de la durée de vie des catalyseurs présents dans les réacteurs en aval par une permutation et un changement de catalyseur sans arrêter le procédé complètement. Ce principe a été amélioré par les brevets :
US2014001089, qui décrit un procédé d'hydrotraitement de charges lourdes d'hydrocarbures avec des réacteurs permutables incluant au moins une étape de permutation progressive.
Et US2014027351 qui décrit un procédé d'hydrotraitement de charges lourdes d'hydrocarbures avec des réacteurs permutables incluant au moins une étape de court-circuitage d'un lit catalytique.
Le brevet FR2992971 décrit un procédé d'hydrotraitement de charges lourdes en lit fixe catalytique avec inversion du sens d'écoulement des fluides faisant appel à au moins un réacteur à lit fixe co courant descendant d'une phase gaz et d'une phase liquide dans lequel au cours du cycle de fonctionnement dudit procédé, le sens d'écoulement des fluides est inversé pour devenir ascendant, le seuil de perte de charge déclenchant l'inversion de flux est défini à partir d'une valeur DP1 comprise entre DP1 et DP1+(0,5xDP2), DP1 étant définie comme étant la perte de charge en début de cycle et DP2 comme la perte de charge en fin de cycle égale à la perte de charge maximale admissible par les équipements du procédé.
Ces systèmes restent pilotés par une augmentation de la perte de charge globale du lit. Quand la perte de charge augmente trop, il est nécessaire de décharger et recharger le réacteur. Il y a une vraie perte d’activité catalytique, car le catalyseur déchargé n’est pas complètement désactivé.
Une alternative à ce fonctionnement en lit fixe est l’utilisation de lits radiaux au lieu des lits axiaux, l’avantage étant que la surface latérale est plus importante en radial qu’en axial, par conséquent la vitesse de la charge est plus faible, donc la perte de charge est plus faible.
Ce type de technologie a été proposé dans le brevet CN103773429 qui décrit une méthode d’hydrotraitement de résidu dans laquelle la charge est injectée en bas de réacteur, traverse radialement le réacteur où elle est mise en contact avec le catalyseur en présence d’hydrogène et est recollectée en bas de réacteur. L’effluent gazeux ressort par le haut du réacteur.
Un des principaux inconvénients de cette méthode est le risque de colmatage rapide en bas de réacteur qui peut alors empêcher toute circulation des fluides dès le début de fonctionnement du réacteur et limitant la mise en contact des fluides. Le risque de colmatage est accéléré par le fait que la distance entre le point d’entrée et le point de sortie pour la charge est approximativement égale au rayon du réacteur : le lit de particule est utilisé sur toute la hauteur du lit et donc le colmatage se fait le long du diamètre et non le long du réacteur. Il y a en outre le risque d’entrainement de charge liquide par la sortie gaz.
Le brevet FR2948580 décrit un réacteur de réformage catalytique régénératif comprenant une pluralité de tubes de distribution de la charge en lit mobile. Le brevet US2015328612 propose un système de lit radial multitubulaire pour le réformage catalytique, en lit mobile de solide avec une injection de charge monophasique. La distance à parcourir par la charge est ainsi réduite, mais le système nécessite la mise en œuvre d’internes beaucoup plus complexes.
Description de l’invention
Résumé de l’invention
L’invention concerne un procédé d’hydrotraitement en lit fixe d’une charge hydrocarbonée lourde mettant en œuvre au moins un réacteur radial multitubulaire comprenant une enceinte pourvue d'une zone réactionnelle contenant :
- au moins un lit fixe de catalyseur d’hydrotraitement comprenant au moins un catalyseur d’hydrotraitement
- au moins deux tubes de distribution de la charge, chaque tube de distribution de la charge ayant son extrémité supérieure en communication avec le moyen d'entrée de la charge, les tubes de distribution s'étendant de manière sensiblement verticale et étant conçus pour permettre le passage de la charge liquide dans la zone réactionnelle et retenir les catalyseurs; et
- au moins deux tubes de collecte de l'effluent, chaque tube de collecte ayant son extrémité inférieure en communication avec le moyen de sortie de l'effluent—les tubes de collecte s'étendant de manière sensiblement verticale et étant conçus pour permettre le passage de l'effluent dans le tube de collecte et retenir les catalyseurs ;
lesdits tubes étant perméables sur au moins une partie de leur longueur à une phase gazeuse et/ou liquide et imperméables au catalyseur, lesdits tubes étant au moins en partie supportés à leur extrémité supérieure par un premier plateau de tête solidaire de la calandre et à leur extrémité inférieure par un second plateau de fond solidaire de la calandre, ledit premier plateau de tête et ledit second plateau de fond obturant respectivement l’extrémité supérieure d’au moins une partie des tubes de collecte de l'effluent et l’extrémité inférieure d’au moins une partie des tubes de distribution de la charge, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
o on introduit de manière commune ladite charge sous forme liquide et de l’hydrogène gazeux dans ledit au moins un réacteur délimité par une calandre s'étendant selon un axe vertical, par un moyen d’entrée situé en haut dudit réacteur, o on distribue ladite charge et l’hydrogène au moyen desdits au moins deux tubes de distribution de la charge dans la zone réactionnelle définie entre lesdits premier et second plateaux ;
o on fait passer la charge en présence d’hydrogène dans des conditions d’hydrotraitement sur le ou lesdit(s) lit(s) fixe(s) de catalyseur d’hydrotraitement ;
o on collecte -au moyen desdits au moins deux tubes de collecte l’effluent produit dans la zone réactionnelle;
o On récupère par un moyen de sortie l’effluent réactionnel gaz-liquide en bas dudit réacteur;
l’écoulement étant majoritairement descendant.
La charge hydrocarbonée lourde présente avantageusement une température initiale d’ébullition d’au moins 340°C et une température thaïe d’ébullition d’au moins 440°C.
La charge peut être choisie parmi les résidus atmosphériques, les résidus sous vide issus de distillation directe, des pétroles bruts, des pétroles bruts étêtés, des résines de désasphaltage, les asphaltes ou brais de désasphaltage, les résidus issus des procédés de conversion, des extraits aromatiques issus des chaînes de production de bases pour lubrifiants, des sables bitumineux ou leurs dérivés, des schistes bitumineux ou leurs dérivés, des huiles de roche mère ou leurs dérivés, pris seuls ou en mélange, de préférence choisie parmi les résidus atmosphériques ou les résidus sous vide, ou des mélanges de ces résidus.
Dans un mode de réalisation, le premier plateau de tête et le second plateau de fond obturent respectivement l’extrémité supérieure de la totalité des tubes de collecte de l'effluent et l’extrémité inférieure de la totalité des tubes de distribution de la charge.
Le plateau de tête et éventuellement le plateau de fond peuvent être munis de grilles perforées.
Au moins un des tubes d’entrée peut être muni d’une cheminée de passage gaz-liquide.
Au moins un des tubes peut être décalé en hauteur afin d’avoir son extrémité au-dessus du premier plateau supérieur et est alors protégé par un déflecteur liquide afin de permettre le passage préférentiel du gaz dans ledit tube.
Avantageusement, la charge et l’hydrogène entrent dans le réacteur par un moyen d'entrée comprenant un tube d'entrée en communication avec un orifice formé dans la calandre
Avantageusement l’effluent sort du réacteur par un moyen de sortie comprenant un tube de sortie en communication avec un orifice formé dans la calandre.
Il est possible d’inverser temporairement le sens de l’écoulement pour passer en écoulement ascendant lorsqu’un seuil de perte de charge est atteint ou de manière volontaire, pendant une durée inférieure à 20% de la durée d’opération.
Le procédé est préférentiellement mis en oeuvre à une température comprise entre 320 °C et 430°C, sous une pression partielle en hydrogène comprise entre 3 MPa et 30 MPa, à une vitesse spatiale (WH) comprise entre 0,05 et 5 volume de charge par volume de catalyseur et par heure, et avec un rapport hydrogène gazeux sur charge liquide d'hydrocarbures compris entre 200 et 5000 normaux mètres cubes par mètres cubes.
De préférence, l’hydrotraitement est mis en oeuvre en présence d’un catalyseur d’hydrotraitement comprenant au moins un métal du groupe VIII, et/ou au moins un métal du groupe VIB, sur un support utilisé choisi dans le groupe formé par l'alumine, la silice, les silices-alumines, la magnésie, les argiles et les mélanges d'au moins deux de ces minéraux.
De préférence, au moins un des lits catalytiques est un lit de garde comprenant un catalyseur d’hydrodémétallation et éventuellement des éléments inertes.
Le procédé peut mettre en oeuvre un réacteur dans lequel les tubes de distribution et de collecte sont agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, en une pluralité de lignes de tubes, une ligne constituée de tubes de collecte de l'effluent étant disposée de manière adjacente à une ligne constituée de tubes de distribution de la charge ou chaque ligne de tubes comprenant alternativement un tube de distribution de la charge et un tube de collecte de l'effluent.
La procédé peut également mettre en oeuvre un réacteur dans lequel les tubes de distribution et de collecte sont agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, sur une pluralité de rangées concentriques de tubes, une rangée constituée de tubes de collecte de l'effluent étant disposée de manière adjacente à une rangée constituée de tubes de distribution de la charge ou chaque rangée de tubes comprenant à la fois des tubes de distribution et des tubes de collecte.
Description détaillée de l’invention
L'amélioration proposée s'adresse aux unités neuves comme aux unités existantes moyennant quelques modifications (lignes, vannes, internes de réacteurs, distributeurs, etc.).
La présente invention consiste à injecter la charge liquide et le gaz par une entrée commune par le haut du réacteur radial et à les distribuer à travers le lit catalytique via plusieurs tubes, en courant majoritairement descendant (downflow, ce qui se traduit par un colmatage plus homogène du lit de solide, et donne une augmentation de la perte de charge plus lente, conduisant ainsi à une augmentation de la durée de cycle.
Le principal avantage de l’utilisation de ce type de réacteur est une meilleure utilisation du catalyseur présent dans chacun des lits, mais également un gain considérable de volume catalytique, à iso volume de calandre, ceci permettant d’augmenter notablement le débit de charge. En effet, dans le cas du colmatage d’un lit axial tel que décrit dans l’art antérieur ou d’un lit radial selon le brevet CN103773429, une partie non négligeable de la charge catalytique n’a pas été utilisée optimalement au moment du colmatage. La multiplication des points d’entrée/sortie permet d’envisager une meilleure utilisation de la charge.
En effet, sans vouloir être lié par une quelconque théorie, la surface d’entrée du fluide (somme des surfaces des tubes entrant et éventuellement des grilles perforées ou cheminées) est plus importante par rapport à un réacteur classique en écoulement axial. De fait, la quantité de colmatants passant dans les premiers grains de catalyseur est largement moindre, car la vitesse correspondant au rapport du débit de charge sur la surface est diminuée. De même, l’augmentation de la surface d’entrée du fluide permet également d’avoir une perte de charge DP plus faible.
Potentiellement, la perte de charge dans le lit catalytique peut être également faible (plus faible épaisseur de catalyseur, vitesses moindres du fait de la configuration radiale), celle dans la distribution étant un peu plus importante. L’ajustement des diamètres de tube (pas nécessairement les mêmes pour les entrées et sorties) peut également permettre de générer une distribution homogène sur toute la hauteur du lit catalytique.
Ainsi, le chargement et déchargement du réacteur utilisé dans l’invention se fait sur augmentation de la perte de charge DP, la phase active du catalyseur en aval étant utilisée au mieux. Les réacteurs en aval de ces réacteurs auront une durée de vie augmentée et une meilleure utilisation de la charge catalytique. Par ailleurs, si la désactivation du catalyseur devient le facteur de déchargement, dû à une meilleure utilisation du catalyseur présent dans l’unité, celui-ci se fera plus aisément, car le lit ne sera pas totalement colmaté.
Caractéristiques de l’invention
Le réacteur permettant de mettre en œuvre le procédé d’hydrotraitement de charges lourdes selon l’invention se présente sous la forme d’un réacteur multitubulaire avec des tubes alternés servant d’entrées ou de sorties. Les tubes sont perméables, au moins sur une partie de leur longueur, à une phase liquide et/ou gaz : les tubes peuvent être munis d’orifices (tubes perforés simples) ou être munis d’autres moyens de passage, par exemple grilles Johnson. Dans un mode de réalisation, les orifices ou moyens permettant le passage de la phase liquide et/ou gaz des tubes vers le lit catalytique ne sont pas présents sur toute la longueur du ou des tube(s).
Le réacteur utilisé dans le procédé selon l’invention comprend :
- une enceinte pourvue d'une zone réactionnelle ;
- au moins un moyen d'entrée d'une charge situé au-dessus de la zone réactionnelle;
- au moins un moyen de sortie d'un effluent hydrotraité produit par la réaction catalytique, situé en-dessous de la zone réactionnelle ;
le réacteur comprenant à l'intérieur de la zone réactionnelle :
- au moins un lit fixe de catalyseur d’hydrotraitement comprenant au moins un catalyseur d’hydrotraitement ;
- au moins deux tubes de distribution de la charge, chaque tube de distribution de la charge ayant une première extrémité en communication avec le moyen d'entrée de la charge et une seconde extrémité qui peut être fermée, les tubes de distribution s'étendant de manière sensiblement verticale et sont conçus pour permettre le passage de la charge liquide et du gaz dans la zone réactionnelle et retenir les catalyseurs; et
- au moins deux tubes de collecte de l'effluent, chaque tube de collecte ayant une première extrémité en communication avec le moyen de sortie de l'effluent et une seconde extrémité qui peut être fermée, les tubes de collecte s'étendant de manière sensiblement verticale et sont conçus pour permettre le passage de l'effluent dans le tube de collecte et retenir les catalyseurs.
Le moyen d'entrée de la charge comprend avantageusement un tube d'entrée en communication avec un orifice formé dans la calandre.
Le moyen de sortie d'un effluent comprend avantageusement un tube de sortie en communication avec un orifice formé dans la calandre.
Le réacteur comprend un premier plateau supérieur solidaire de la calandre, dit plateau de tête, les tubes de distribution de la charge étant supportés par ledit premier plateau et chacun des tubes de distribution de la charge du catalyseur sont respectivement en communication avec un orifice formé dans le premier plateau supérieur.
Le réacteur comprend en outre un second plateau inférieur solidaire de la calandre, dit plateau de fond. La zone réactionnelle est définie entre les premier et second plateaux. Les tubes de collecte de l'effluent sont supportés par le second plateau inférieur et les tubes de collecte de l'effluent sont en communication avec un orifice formé dans le second plateau inférieur.
Le premier plateau supérieur et le second plateau inférieur obturent respectivement les extrémités supérieures d’au moins une partie des tubes de collecte de l'effluent et les extrémités inférieures d’au moins une partie des tubes de distribution de la charge. Avantageusement le premier plateau supérieur et le second plateau inférieur obturent respectivement les extrémités supérieures de la totalité des tubes de collecte de l'effluent et les extrémités inférieures de la totalité des tubes de distribution de la charge. Cette configuration permet d’obtenir une très bonne résistance mécanique de l’ensemble.
Dans un mode de réalisation (voir par exemple figure 2), lorsque certains tubes sont décalés par rapport aux autres et par rapport à un plan horizontal, les tubes ne sont pas nécessairement tous obturés par le ou les plateaux inférieur (de fond) et/ou supérieur (de tête).
Les tubes de distribution et de collecte peuvent être agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, en une pluralité de lignes de tubes, dans lequel chaque ligne de tubes est constituée de tubes de distribution de la charge ou de tubes de collecte de l'effluent et dans lequel une ligne constituée de tubes de collecte de l'effluent est disposée de manière adjacente à une ligne constituée de tubes de distribution de la charge .
Les tubes de distribution et de collecte peuvent être agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, en une pluralité de lignes de tubes, dans lequel chaque ligne de tubes comprend alternativement un tube de distribution de la charge et un tube de collecte de l'effluent.
Les tubes de deux lignes adjacentes peuvent être disposés en vis-à-vis en formant un pas carré.
ίο
Le pas entre les tubes peut être un pas triangulaire, un pas carré, ou tout autre pas, les distances entre les tubes n’étant nécessairement pas toutes les mêmes.
Les tubes de deux lignes adjacentes peuvent être disposés de façon décalée en formant un pas triangulaire.
Les tubes de distribution et de collecte peuvent être agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, sur une pluralité de rangées concentriques de tubes et dans lequel une rangée constituée de tubes de collecte de l'effluent est disposée de manière adjacente à une rangée constitué de tubes de distribution de la charge.
Les tubes de distribution et de collecte peuvent être agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, selon une pluralité de rangées concentriques de tubes et dans lequel chaque rangée de tubes comprend des tubes de distribution et de tubes de collecte.
Certains tubes de distribution et/ou de collecte peuvent être accolés à la calandre du réacteur.
De préférence, les tubes de collecte et de distribution sont de section circulaire, ellipsoïdale ou lenticulaire ou de forme quadrilatère.
De préférence, le nombre de tubes permettant soit la distribution de la charge, soit la collecte de l'effluent réactionnel, soit les deux est supérieur ou égal à quatre.
La disposition des tubes en alternance entrée/sortie peut se faire par rangées, côte à côte, concentrique, etc.
Les tubes peuvent avoir des tailles différentes, en particulier entre les entrées et sorties. Dans les zones où moins de flux circule, on peut aussi imaginer employer des tubes de plus gros diamètre, ou à diamètre variable le long du tube (tubes en cônes). Il peut par ailleurs être avantageux de coller un tube, totalement ou partiellement, dans une zone touchant la calandre : les éventuels volumes morts en sont ainsi considérablement réduits.
La section des tubes peut être cylindrique, mais toute autre forme peut également convenir.
Les tubes peuvent être non entièrement perforés ou à perforation variable le long de leur hauteur.
Le sens de l’écoulement est majoritairement descendant. De manière préférée, l’écoulement est descendant pendant plus de 80 % de la durée d’opération, de manière très préférée l’écoulement se fait totalement de manière descendante.
Dans un mode de réalisation, lorsque la perte de charge DP devient trop importante, notamment dans le cas d’un colmatage rapide de l’entrée liquide, au moyen de vannes situées en amont et/ou aval du réacteur, il peut être avantageux d’inverser de manière temporaire le sens des flux, les entrées et sorties devenant respectivement sorties et entrées.
Ce mode de réalisation permet d’utiliser la capacité filtrante du lit de manière optimale.
De manière temporaire, après avoir atteint une certaine perte de charge DP déterminée par l’homme du métier en fonction du maximum admissible par les équipements, en écoulement descendant, l’inversion du sens des flux permet ainsi de charger des zones du lit qui n’ont pas encore été chargées en écoulement descendant.
Il est également possible d’insérer de manière volontaire, indépendamment de la perte de charge DP, temporairement, des phases en écoulement ascendant à d’autres moments de l’opération pour permettre de reposer le lit catalytique.
Un soutien mécanique peut être assuré entre les différents tubes par l’intermédiaire de pattes, ceci permettant d’assurer une résistance mécanique suffisante à l’ensemble (en plus des soudages, ou équivalent, avec les plaques perforées situées en tête et en fond)
Selon l’invention, il est possible d’aménager l’entrée du réacteur pour favoriser l’utilisation de la partie haute du catalyseur avec le liquide. A cet effet, des grilles perforées peuvent être placées en haut et éventuellement en bas dans les plateaux de tête et de fond. Dans cette configuration, il est par ailleurs possible de n’ouvrir au flux que la partie la plus basse des tubes de collecte ou séparer gaz et liquide par des cheminées, le gaz allant directement dans les cheminées de sortie. La hauteur des zones ouvertes au flux de charge peut varier suivant les tubes et leur position. Avantageusement, la hauteur de la zone perforée est supérieure à 50% de la distance interplateaux.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, les plateaux de tête et de fond sont munis de plaques perforées. Dans cette configuration, le flux rentre (et sort) à la fois par les tubes et les grilles perforées, ce qui permet de maximiser les surfaces entrée/sortie. Cette configuration présente l’avantage de répartir au mieux les colmatants et de générer une faible perte de charge DP (essentiellement par réduction de la vitesse). Au moins un tube de sortie permettant le soutirage des fluides (ou un tube d’entrée permettant la distribution des fluides) continue à être accroché au plateau du dessus (ou du dessous), comme décrit précédemment, mais la partie supérieure (ou inférieure) du tube est pleine et non perforée.
La hauteur des zones perforées peuvent varier suivant les tubes et leur position. La hauteur de la zone perforée doit être supérieure à 50% de la distance plateau-plateau.
Plusieurs lits de ce type peuvent être présents dans un même réacteur.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, au moins un des tubes qui traversent l’enceinte réactionnelle est muni d’une cheminée dont l’orifice se trouve au-dessus du niveau liquide dans le réacteur. Cette configuration permet de séparer gaz et liquide au moyen de la ou des cheminée(s).
Lorsque le réacteur est colmaté, il est par ailleurs possible de court-circuiter le lit, en faisant passer le fluide par le ou les tube(s) muni(s) d’une cheminée, pendant que le niveau de liquide monte. Le ou lesdits tubes muni(s) d’une cheminée sont avantageusement ouverts à leur extrémité inférieure ou ouvrables au moyen d’une soupape tarée, par exemple. L’avantage de ce mode de réalisation est de permettre de court-circuiter le réacteur même après que le réacteur est colmaté, tout le flux passant alors par les cheminées gaz .
Liste des figures
Figure 1 : Schéma du réacteur catalytique à flux radial pour la mise en œuvre du procédé d’hydrotraitement selon l’invention
Figure 2 : Schéma du réacteur catalytique à flux radial - Mode de réalisation avec plaques perforées
Figure 3 : Schéma du réacteur catalytique à flux radial - Mode de réalisation avec plaques et cheminées
Figure 4 : Schéma du réacteur catalytique à flux radial - Mode de réalisation avec extrémité d’un tube de distribution au-dessus du niveau liquide
Description des figures
Figure 1 :
Le réacteur catalytique 1 à flux radial selon l'invention se présente sous la forme d'une bonbonne, formée par une calandre 2, délimitant une enceinte cylindrique qui s'étend selon un axe de symétrie sensiblement vertical (AZ).
La calandre 2 comporte dans sa partie supérieure un premier orifice 3 et dans sa partie inférieure un second orifice 4 qui sont respectivement des moyens d'entrée de la charge liquide à traiter et du gaz comprenant majoritairement de l’hydrogène et des moyens de sortie des effluents produits de la réaction catalytique. Il est également possible, dans un mode d’utilisation non majoritaire du réacteur dans le procédé selon l’invention (inversion du sens de l’écoulement à titre temporaire), d'utiliser le premier orifice 3 comme moyen de sortie de l'effluent et second orifice 4 comme moyen d'entrée de la charge. La calandre 2 délimite une enceinte qui contient une zone réactionnelle 10.
Les premier et second orifices 3,4, situés respectivement au-dessus et en-dessous de la zone réactionnelle 10, sont entourés d'une tubulure 5,6 qui permet ainsi la connexion de la calandre à un système de tuyauterie d'entrée et de sortie de fluide.
Le catalyseur d’hydrotraitement dans la zone réactionnelle 10 se présente sous forme d’un ou plusieurs lits catalytiques en lit fixe. Le catalyseur peut se présenter sous forme de particules par exemple sous forme de granulé cylindrique simple, ou de forme multilobée par exemple trilobée ou quadrilobée, ou sous forme de sphères de diamètre généralement compris entre 1 à 5 mm.
Il est également possible de prévoir des catalyseurs d’hydrotraitement différents selon le lit catalytique lorsqu’il y en a plusieurs, ou des couches de catalyseurs différents au sein d’un même lit catalytique. Il est ainsi possible d’utiliser des catalyseurs de tailles différentes ou ayant des caractéristiques (porosité, phase active...) différentes au sein d’un même lit catalytique.
Dans un mode de réalisation, la zone réactionnelle comprend au moins un lit de garde contenant au moins du catalyseur d’hydrodémétallation, éventuellement complété par des élément inertes et/ou de pré-lits (grading en anglais).
Selon la présente invention, le réacteur 1 comprend une pluralité de tubes 9 et 13 qui sont immergés dans la zone réactionnelle 10. Les tubes 9 et 13 s'étendent dans la zone réactionnelle 10 selon une direction sensiblement verticale, de préférence sensiblement parallèle à l'axe de symétrie AZ, et sur au moins 80% de la hauteur de la zone réactionnelle 10. La fonction des tubes est de permettre soit l'introduction de la charge (on parlera alors de tube de distribution de la charge ou entrée, 9) soit la collecte de l'effluent réactionnel (on parlera alors de tube de collecte ou sortie, 13). Les tubes sont conçus de manière à être perméables aux fluides sur au moins une partie de leur longueur et imperméables au catalyseur. Les tubes peuvent se présenter par exemple sous la forme d'un tube pourvu d'ouvertures dont la dimension est inférieure à la taille des particules de catalyseur ou encore sous la forme d'une grille du type Johnson connue de l'homme du métier. Les tubes sont de préférence de section circulaire. Cependant, la section des tubes peut prendre différentes formes, par exemple rectangulaire ou carrée.
Selon un premier mode de fonctionnement dans lequel les tubes 9 sont utilisés comme moyens de distribution de la charge qui est introduite par l'orifice supérieur 3 de la calandre, la première extrémité supérieure 11 des tubes 9 est ouverte pour être en communication avec l'orifice 3 tandis que leur seconde extrémité inférieure 12 est fermée de manière à empêcher le passage de la charge par ladite seconde extrémité.
Conformément à l'invention, les tubes 9 sont supportés au niveau de leur extrémité supérieure par le plateau supérieur dit plateau de tête 14, par exemple par l'intermédiaire d'un ensemble de liaison assurant une liaison de type pivot glissant.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les tubes 9 (de distribution de la charge) ou les tubes 13 (de collecte de l'effluent) sont supportés par le plateau supérieur 14 et le traversent de sorte que leur extrémité supérieure 11 débouche au-dessus du plateau supérieur.
Figure 2 :
Dans ce mode de réalisation, le plateau supérieur 14 est avantageusement muni de moyens permettant de favoriser la distribution de la charge liquide et du gaz et de permettre l’écoulement ruisselant dans le lit fixe catalytique. A cet effet, le plateau de tête 14 peut comprendre une grille ou plaque perforée 16. Dans un mode de réalisation, le plateau de fond 15 supportant les tubes de collectes de l’effluent réactionnel peut également comprendre une grille ou plaque perforée 16. Dans le mode de réalisation de la figure 2, les plateaux de tête 14 et de fond 15 sont munis de plaques perforées 16. Dans cette configuration, le flux rentre (et sort) à la fois par les tubes et les grilles perforées, ce qui permet de maximiser les surfaces entrée/sortie. Cette configuration présente l’avantage de répartir au mieux les colmatants et de générer une faible perte de charge DP (essentiellement par réduction de la vitesse).
Figure 3 :
Dans un autre mode de réalisation, au moins une partie des tubes de distribution 9 peuvent être munis de cheminées 17 dont l’extrémité affleure au-dessus du niveau de liquide, permettant de favoriser le passage préférentiel du gaz. Tout autre moyen peut être envisagé, en fonction de l’objectif recherché. Lorsque le réacteur est colmaté, le niveau de liquide monte et les tubes munis de cheminée agissent alors comme un moyen de court-circuiter le lit.
Figure 4 : Dans une variante, il est également possible qu’au moins une partie des tubes de distribution (ou tubes d’entrée) dépassent du plateau de tête 14. Le ou lesdits tubes sont protégés des flux par un déflecteur liquide 18 dit chapeau. Le gaz peut y passer, mais le liquide non, sauf si le lit est colmaté : ils agissent alors comme un moyen de court-circuiter le lit.
L’objectif de l’invention est de maximiser l’utilisation du catalyseur pendant toute la durée d’opération, pas nécessairement d’obtenir une haute conversion. L’invention s’applique avantageusement à un réacteur de garde avant le réacteur d’hydrotraitement proprement dit.

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé d’hydrotraitement en lit fixe d’une charge hydrocarbonée lourde mettant en oeuvre au moins un réacteur radial multitubulaire comprenant une enceinte pourvue d'une zone réactionnelle contenant :
    - au moins un lit fixe de catalyseur d’hydrotraitement comprenant au moins un catalyseur d’hydrotraitement
    - au moins deux tubes de distribution de la charge, chaque tube de distribution de la charge ayant son extrémité supérieure en communication avec le moyen d'entrée de la charge, les tubes de distribution s'étendant de manière sensiblement verticale et étant conçus pour permettre le passage de la charge liquide dans la zone réactionnelle et retenir les catalyseurs; et
    - au moins deux tubes de collecte de l'effluent, chaque tube de collecte ayant son extrémité inférieure en communication avec le moyen de sortie de l'effluent—les tubes de collecte s'étendant de manière sensiblement verticale et étant conçus pour permettre le passage de l'effluent dans le tube de collecte et retenir les catalyseurs ;
    lesdits tubes étant perméables sur au moins une partie de leur longueur à une phase gazeuse et/ou liquide et imperméables au catalyseur, lesdits tubes étant au moins en partie supportés à leur extrémité supérieure par un premier plateau de tête solidaire de la calandre et à leur extrémité inférieure par un second plateau de fond solidaire de la calandre, ledit premier plateau de tête et ledit second plateau de fond obturant respectivement l’extrémité supérieure d’au moins une partie des tubes de collecte de l'effluent et l’extrémité inférieure d’au moins une partie des tubes de distribution de la charge, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : o on introduit de manière commune ladite charge sous forme liquide et de l’hydrogène gazeux dans ledit au moins un réacteur délimité par une calandre s'étendant selon un axe vertical, par un moyen d’entrée situé en haut dudit réacteur, o on distribue ladite charge et l’hydrogène au moyen desdits au moins deux tubes de distribution de la charge dans la zone réactionnelle définie entre lesdits premier et second plateaux ;
    o on fait passer la charge en présence d’hydrogène dans des conditions d’hydrotraitement sur le ou lesdit(s) lit(s) fixe(s) de catalyseur d’hydrotraitement ;
    o on collecte -au moyen desdits au moins deux tubes de collecte l’effluent produit dans la zone réactionnelle;
    o On récupère par un moyen de sortie l’effluent réactionnel gaz-liquide en bas dudit réacteur;
    l’écoulement étant majoritairement descendant.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la charge hydrocarbonée lourde présente une température initiale d’ébullition d’au moins 340°C et une température finale d’ébullition d’au moins 440°C.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel la charge est choisie parmi les résidus atmosphériques, les résidus sous vide issus de distillation directe, des pétroles bruts, des pétroles bruts étêtés, des résines de désasphaltage, les asphaltes ou brais de désasphaltage, les résidus issus des procédés de conversion, des extraits aromatiques issus des chaînes de production de bases pour lubrifiants, des sables bitumineux ou leurs dérivés, des schistes bitumineux ou leurs dérivés, des huiles de roche mère ou leurs dérivés, pris seuls ou en mélange, de préférence choisie parmi les résidus atmosphériques ou les résidus sous vide, ou des mélanges de ces résidus.
  4. 4. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier plateau de tête et le second plateau de fond obturent respectivement l’extrémité supérieure de la totalité des tubes de collecte de l'effluent et l’extrémité inférieure de la totalité des tubes de distribution de la charge.
  5. 5. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le plateau de tête et éventuellement le plateau de fond sont munis de grilles perforées.
  6. 6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel au moins un des tubes d’entrée est muni d’une cheminée de passage gaz-liquide.
  7. 7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel au moins un des tubes est décalé en hauteur afin d’avoir son extrémité au-dessus du premier plateau supérieur et est protégé par un déflecteur liquide afin de permettre le passage préférentiel du gaz dans ledit tube.
  8. 8. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la charge et l’hydrogène entrent dans le réacteur par un moyen d'entrée comprenant un tube d'entrée en communication avec un orifice formé dans la calandre.
  9. 9. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’effluent sort du réacteur par un moyen de sortie comprenant un tube de sortie en communication avec un orifice formé dans la calandre.
  10. 10. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel on inverse temporairement le sens de l’écoulement pour passer en écoulement ascendant lorsqu’un seuil de perte de charge est atteint ou de manière volontaire, pendant une durée inférieure à 20% de la durée d’opération.
  11. 11. Procédé selon l’une des revendications précédentes mis en œuvre à une température comprise entre 320 °C et 430 °C, sous une pression patielle en hydrogène comprise entre 3 MPa et 30 MPa, à une vitesse spatiale (WH) comprise entre 0,05 et 5 volume de charge par volume de catalyseur et par heure, et avec un rapport hydrogène gazeux sur charge liquide d'hydrocarbures compris entre 200 et 5000 normaux mètres cubes par mètres cubes.
  12. 12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel l’hydrotraitement est mis en œuvre en présence d’un catalyseur d’hydrotraitement comprenant au moins un métal du groupe VIII, et/ou au moins un métal du groupe VIB, sur un support utilisé choisi dans le groupe formé par l'alumine, la silice, les silices-alumines, la magnésie, les argiles et les mélanges d'au moins deux de ces minéraux.
  13. 13. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel au moins un des lits catalytiques est un lit de garde comprenant un catalyseur d’hydrodémétallation et éventuellement des éléments inertes.
  14. 14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, mettant en œuvre un réacteur dans lequel les tubes de distribution et de collecte sont agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, en une pluralité de lignes de tubes, une ligne constituée de tubes de collecte de l'effluent étant disposée de manière adjacente à une ligne constituée de tubes de distribution de la charge ou chaque ligne de tubes comprenant alternativement un tube de distribution de la charge et un tube de collecte de l'effluent.
  15. 15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, mettant en œuvre un réacteur dans lequel les tubes de distribution et de collecte sont agencés, selon un plan perpendiculaire à l'axe vertical, sur une pluralité de rangées concentriques de tubes, une rangée constituée de tubes de collecte de l'effluent étant disposée de manière adjacente à une rangée constituée de tubes de distribution de la charge ou chaque rangée de tubes comprenant à la fois des tubes de distribution et des tubes de collecte.
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