FR3094983A1 - Reacteur triphasique avec coupelle de recycle tronconique a fort angle d’inclinaison - Google Patents
Reacteur triphasique avec coupelle de recycle tronconique a fort angle d’inclinaison Download PDFInfo
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Abstract
La présente invention concerne un réacteur triphasique pour la réaction d’une charge d'hydrocarbures avec de l’hydrogène et un procédé d’hydroconversion, par exemple de type H-OilTM, le mettant en œuvre, comportant une enceinte (10) avec une extrémité supérieure (48) et un dispositif de séparation gaz/liquide comprenant :- une coupelle de recycle (30), au-dessus de la zone de réaction catalytique et délimitant avec l’extrémité supérieure (48) une zone de recycle (39), comportant une partie supérieure cylindrique (42) prolongée par une partie inférieure tronconique (43) munie de conduits verticaux (27) pour le passage d’un mélange gaz/liquide provenant d’une zone de réaction catalytique, et ayant un angle d’inclinaison β fixe compris entre 50° et 85°par rapport à l’axe (Z) de la partie cylindrique (42), - une conduite de recycle (25) du liquide à l’apex de la partie tronconique, en communication fluidique avec l’extrémité inférieure de l’enceinte par des moyens de recirculation. Figure 2 à publier
Description
La présente invention concerne un réacteur triphasique pour la réaction d’une charge d'hydrocarbures avec de l’hydrogène, plus particulièrement l’hydroconversion de charges liquides lourdes d’hydrocarbures tel que réalisé dans le procédé H-OIL™. En particulier, l’invention porte sur un tel réacteur comportant une coupelle de recycle et un dimensionnement de la zone de recycle du liquide optimisés, en vue d’améliorer les performances d’hydroconversion, et notamment d’améliorer la stabilité des effluents liquides produits.
La coupelle de recycle est connue sous le nom de « recycle cup » selon la terminologie anglo-saxonne. Cette coupelle de recycle délimite une zone dans la partie haute du réacteur qui est la zone de recycle du liquide. Dans cette zone est réalisée une séparation gaz /liquide au moyen de la coupelle de recycle qui permet, en association avec une conduite de recycle, la réintroduction de la majorité du liquide sans gaz vers la zone réactionnelle du réacteur, et l’évacuation du gaz avec une minorité de liquide hors du réacteur.
Il est connu des réacteurs triphasiques pour la réaction d’une charge d'hydrocarbures, en particulier d’une charge liquide, avec de l’hydrogène mettant en œuvre un catalyseur en lit bouillonnant et intégrant un système de séparation gaz/liquide en tête de réacteur permettant une recycle du liquide en bas du réacteur pour maintenir en opération le lit bouillonnant.
Par exemple le brevet US4886644 divulgue un réacteur triphasique typique pouvant être utilisé dans un procédé d’hydroconversion d’une charge lourde d’hydrocarbures de type H-OIL™, comportant un dispositif de séparation gaz/liquide pour séparer le gaz du liquide d’un mélange provenant de la zone de réaction catalytique du réacteur. Le schéma de réacteur de la figure 1 est extrait de ce brevet. Sa configuration et son fonctionnement sont décrits plus bas en relation avec l’invention.
La zone de recycle 39 est une zone dépourvue de catalyseur, opérant à une température élevée, généralement comprise entre 300°C et 550°C, dans laquelle peuvent se produire des réactions indésirables de craquage thermique des hydrocarbures, pouvant conduire à des molécules instables ou insolubles favorisant la formation de sédiments. Ces espèces forment alors des particules solides, très visqueuses et/ou collantes composées par des asphaltènes et du coke. La présence excessive de ces produits conduit au cokage et à la désactivation du catalyseur dans le réacteur, à l'encrassement du réacteur et de manière générale des équipements du procédé, et notamment des équipements de séparation et de distillation.
L’invention diffère du réacteur selon le brevet US4886644 par la géométrie de la coupelle de recycle et le dimensionnement de la partie haute du réacteur, permettant notamment d’augmenter la stabilité des effluents liquides produits lors de l’hydroconversion tout en continuant à assurer une bonne séparation gaz/liquide en tête du réacteur pour une recycle de liquide dépourvu au maximum de gaz en bas du réacteur, à destination de la zone de réaction catalytique.
Objectifs et Résumé de l’invention
La présente invention vise de manière générale à fournir un dispositif de séparation gaz/liquide implanté dans les réacteurs triphasiques tels que ceux utilisés dans les procédés d’hydroconversion de fractions lourdes d’hydrocarbures de type H-OIL™, qui a classiquement pour rôle la réintroduction de la majorité du liquide sans gaz vers la zone réactionnelle, et l’évacuation du gaz et du reste du liquide hors du réacteur, permettant d’améliorer les performances du procédé d’hydroconversion, notamment de réduire la formation de sédiments, et donc augmenter la stabilité des effluents liquides en vue d’une meilleure opérabilité du procédé.
Ainsi, pour atteindre au moins l'un des objectifs susvisés, parmi d’autres, la présente invention propose, selon un premier aspect, un réacteur triphasique pour la réaction d’une charge d'hydrocarbures avec de l’hydrogène, comprenant :
- une enceinte allongée et disposée verticalement comportant des extrémités supérieure et inférieure et une paroi latérale, ladite enceinte comprenant une zone de réaction catalytique adjacente à l’extrémité inférieure et adaptée à la réaction de la charge d’hydrocarbures et d’un gaz en présence d’un catalyseur en lit bouillonnant, et une zone de recycle d’un liquide adjacente à l’extrémité supérieure,
- un dispositif de séparation gaz/liquide configuré pour séparer une phase gazeuse et une phase liquide d’un mélange provenant de ladite zone de réaction catalytique, et comprenant au moins :
-- une coupelle de recycle comportant une partie supérieure cylindrique prolongée par une partie inférieure tronconique munie de conduits verticaux pour le passage dudit mélange à travers la coupelle de recycle, ladite partie inférieure tronconique ayant un angle d’inclinaison β fixe compris entre 50° et 85°par rapport à l’axe de révolution (Z) de ladite partie supérieure cylindrique, ladite coupelle de recycle étant positionnée au-dessus de de la zone de réaction catalytique et délimitant avec au moins l’extrémité supérieure de l’enceinte la zone de recycle,
-- une conduite de recycle du liquide située à l’apex de ladite partie inférieure tronconique et en communication fluidique avec l’extrémité inférieure de l’enceinte par des moyens de recirculation
- une enceinte allongée et disposée verticalement comportant des extrémités supérieure et inférieure et une paroi latérale, ladite enceinte comprenant une zone de réaction catalytique adjacente à l’extrémité inférieure et adaptée à la réaction de la charge d’hydrocarbures et d’un gaz en présence d’un catalyseur en lit bouillonnant, et une zone de recycle d’un liquide adjacente à l’extrémité supérieure,
- un dispositif de séparation gaz/liquide configuré pour séparer une phase gazeuse et une phase liquide d’un mélange provenant de ladite zone de réaction catalytique, et comprenant au moins :
-- une coupelle de recycle comportant une partie supérieure cylindrique prolongée par une partie inférieure tronconique munie de conduits verticaux pour le passage dudit mélange à travers la coupelle de recycle, ladite partie inférieure tronconique ayant un angle d’inclinaison β fixe compris entre 50° et 85°par rapport à l’axe de révolution (Z) de ladite partie supérieure cylindrique, ladite coupelle de recycle étant positionnée au-dessus de de la zone de réaction catalytique et délimitant avec au moins l’extrémité supérieure de l’enceinte la zone de recycle,
-- une conduite de recycle du liquide située à l’apex de ladite partie inférieure tronconique et en communication fluidique avec l’extrémité inférieure de l’enceinte par des moyens de recirculation
Selon un mode de réalisation, l’angle β est compris entre 55° et 80°, et de préférence est compris entre 60° et 75°.
Selon un mode de réalisation, l’angle β est égal à 75°.
Selon un mode de réalisation, l’extrémité supérieure de l’enceinte a une forme convexe et a un rapport L5/D1compris entre 0,01 et 20, de préférence compris entre 0,02 et 10, et plus préférentiellement compris entre 0,1 et 5, L5étant la hauteur de l’extrémité supérieure de l’enceinte et D1étant le diamètre de l’enceinte du réacteur dans la zone de recycle.
Selon un mode de réalisation, la partie supérieure cylindrique de la coupelle de recycle est formée par la paroi latérale de l’enceinte.
Selon un mode de réalisation, un espace annulaire est formé entre la partie supérieure cylindrique de la coupelle de recycle et la paroi latérale de l’enceinte.
Selon un mode de réalisation, l’espace annulaire a une largeur comprise entre 0,01 m et D1/3 m.
Selon un mode de réalisation, la hauteur L6de la partie supérieure cylindrique 42 est comprise entre 0,01xD1et 2xD1.
Selon un mode de réalisation, la distance L7entre le sommet de la partie supérieure cylindrique 42 de la coupelle de recycle 30 et le bas de l’extrémité supérieure 48 de l’enceinte est comprise entre 0,001xD1et 2xD1.
Selon un mode de réalisation, le diamètre D2de la conduite de recycle 25 est compris entre 0,1 m et 3m.
Selon un mode de réalisation, le diamètre D1de l’enceinte 10 du réacteur est compris entre 0,1 et 30 m, de préférence entre 0,5 m et 20 m, et de manière très préférée entre 1 m et 10 m.
Selon un deuxième aspect, la présente invention propose un procédé d’hydroconversion d’une charge d’hydrocarbures comportant un réacteur selon l’invention.
Selon une mise en œuvre, le procédé est un procédé d’hydroconversion d’une charge liquide d’hydrocarbures dans lequel :
- on introduit de l’hydrogène et la charge liquide d’hydrocarbures dans l’extrémité inférieure de l’enceinte du réacteur selon un flux ascendant suffisant pour produire un mouvement aléatoire d’un catalyseur sous forme de particules dans la zone de réaction catalytique ;
- on maintient le catalyseur en lit bouillonnant dans la zone de réaction catalytique 22 avec une expansion volumétrique comprise entre 10% et 100% par rapport au volume statique dudit catalyseur par l’injection de liquide recyclé, de préférence au moyen d’une pompe, issu de la zone de recycle adjacente à l’extrémité supérieure de l’enceinte par l’intermédiaire de la conduite de recycle, pour réaliser les réactions d’hydroconversion de ladite charge ;
- on sépare une phase gaz d’une phase liquide d’un mélange provenant de la zone de réaction catalytique et envoyé dans les conduits de la coupelle de recycle, une partie du liquide ainsi séparé constituant le liquide recyclé envoyé dans l’extrémité inférieure de l’enceinte du réacteur ; et
- on évacue du réacteur le gaz et l’autre partie du liquide séparé présents dans la zone de recycle.
- on introduit de l’hydrogène et la charge liquide d’hydrocarbures dans l’extrémité inférieure de l’enceinte du réacteur selon un flux ascendant suffisant pour produire un mouvement aléatoire d’un catalyseur sous forme de particules dans la zone de réaction catalytique ;
- on maintient le catalyseur en lit bouillonnant dans la zone de réaction catalytique 22 avec une expansion volumétrique comprise entre 10% et 100% par rapport au volume statique dudit catalyseur par l’injection de liquide recyclé, de préférence au moyen d’une pompe, issu de la zone de recycle adjacente à l’extrémité supérieure de l’enceinte par l’intermédiaire de la conduite de recycle, pour réaliser les réactions d’hydroconversion de ladite charge ;
- on sépare une phase gaz d’une phase liquide d’un mélange provenant de la zone de réaction catalytique et envoyé dans les conduits de la coupelle de recycle, une partie du liquide ainsi séparé constituant le liquide recyclé envoyé dans l’extrémité inférieure de l’enceinte du réacteur ; et
- on évacue du réacteur le gaz et l’autre partie du liquide séparé présents dans la zone de recycle.
Les conditions opératoires du réacteur peuvent être les suivantes :
- une pression absolue comprise entre 2 et 35 MPa, de préférence entre 5 et 25 MPa, et de manière encore préférée, entre 6 et 20 MPa, et
- une température comprise entre 300°C et 550°C, de préférence comprise entre 350 et 500°C, plus préférentiellement comprise entre 370 et 460°C, et encore plus préférentiellement se situant entre 380°C et 440°C.
- une pression absolue comprise entre 2 et 35 MPa, de préférence entre 5 et 25 MPa, et de manière encore préférée, entre 6 et 20 MPa, et
- une température comprise entre 300°C et 550°C, de préférence comprise entre 350 et 500°C, plus préférentiellement comprise entre 370 et 460°C, et encore plus préférentiellement se situant entre 380°C et 440°C.
De préférence, la charge est une charge liquide lourde d’hydrocarbures, comportant une fraction d'au moins 50% poids ayant une température d'ébullition d'au moins 300°C, et contenant du soufre, du carbone Conradson, des métaux, et de l’azote.
Selon une mise en œuvre, le procédé est un procédé d’hydroconversion d’une charge solide d’hydrocarbures, de préférence du charbon, dans lequel :
- on introduit de l’hydrogène, et un mélange de la charge solide d’hydrocarbures et d’une charge liquide d’hydrocarbures dans l’extrémité inférieure de l’enceinte du réacteur selon un flux ascendant suffisant pour produire un mouvement aléatoire d’un catalyseur sous forme de particules dans la zone de réaction catalytique ;
- on maintient le catalyseur en lit bouillonnant dans la zone de réaction catalytique avec une expansion volumétrique comprise entre 10% et 100% par rapport au volume statique dudit catalyseur par l’injection de liquide recyclé, de préférence au moyen d’une pompe, issu de la zone de recycle adjacente à l’extrémité supérieure de l’enceinte par l’intermédiaire de la conduite de recycle, pour réaliser les réactions d’hydroconversion de la charge solide ;
- on sépare une phase gaz d’une phase liquide d’un mélange provenant de la zone de réaction catalytique et envoyé dans les conduits de la coupelle de recycle, une partie du liquide ainsi séparé constituant le liquide recyclé envoyé dans l’extrémité inférieure de l’enceinte du réacteur ; et
- on évacue du réacteur au moins le gaz et l’autre partie du liquide séparé présents dans la zone de recycle.
- on introduit de l’hydrogène, et un mélange de la charge solide d’hydrocarbures et d’une charge liquide d’hydrocarbures dans l’extrémité inférieure de l’enceinte du réacteur selon un flux ascendant suffisant pour produire un mouvement aléatoire d’un catalyseur sous forme de particules dans la zone de réaction catalytique ;
- on maintient le catalyseur en lit bouillonnant dans la zone de réaction catalytique avec une expansion volumétrique comprise entre 10% et 100% par rapport au volume statique dudit catalyseur par l’injection de liquide recyclé, de préférence au moyen d’une pompe, issu de la zone de recycle adjacente à l’extrémité supérieure de l’enceinte par l’intermédiaire de la conduite de recycle, pour réaliser les réactions d’hydroconversion de la charge solide ;
- on sépare une phase gaz d’une phase liquide d’un mélange provenant de la zone de réaction catalytique et envoyé dans les conduits de la coupelle de recycle, une partie du liquide ainsi séparé constituant le liquide recyclé envoyé dans l’extrémité inférieure de l’enceinte du réacteur ; et
- on évacue du réacteur au moins le gaz et l’autre partie du liquide séparé présents dans la zone de recycle.
D’autres objets et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d’exemples de réalisations particuliers de l’invention, donnés à titre d’exemples non limitatifs, la description étant faite en référence aux figures annexées décrites ci-après.
Liste des figures
La figure 1 est un schéma représentatif, en coupe, d’un réacteur selon l’invention.
La figure 2 est un schéma représentatif, en coupe, de la partie sommitale du réacteur selon l’invention représenté à la figure 1, illustrant le dispositif de séparation gaz/liquide et sa coupelle de recycle.
Sur les figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues.
L'objet de l'invention est de proposer un réacteur triphasique pour la réaction d’une charge d'hydrocarbures avec de l’hydrogène et un procédé d’hydroconversion d’une telle charge d’hydrocarbures mettant en œuvre un tel réacteur en vue d’obtenir de manière générale des produits hydrocarbonés stables plus légers et débarrassés de leur impuretés (soufre, métaux, asphaltènes etc.). De préférence la charge d'hydrocarbures est une charge liquide d'hydrocarbures, et plus préférentiellement une charge liquide lourde d'hydrocarbures.
La figure 1 est un schéma représentatif montrant les principaux éléments d’un réacteur selon l’invention. La constitution et le fonctionnement d’un réacteur triphasique fonctionnant en lit bouillonnant, tel que représenté, et par exemple utilisé dans les procédés H-OilTM, sont connus. Le réacteur selon l’invention se distingue des réacteurs connus par l’implantation d’une coupelle de recycle spécifique dans la zone de recycle décrite plus en détails en relation avec la figure 2.
Selon l’invention le réacteur comprend une enceinte 10 allongée et disposée verticalement comportant des extrémités supérieure 48 et inférieure 49 et une paroi latérale 47, ladite enceinte comprenant une zone de réaction catalytique 22 adjacente à l’extrémité inférieure 49 et adaptée à la réaction de la charge liquide d’hydrocarbures et d’un gaz en présence d’un catalyseur en lit bouillonnant (catalyseur supporté), et une zone de recycle du liquide 39 adjacente à l’extrémité supérieure 48. L’enceinte du réacteur est de préférence cylindrique.
Le réacteur comporte également un dispositif de séparation gaz/liquide configuré pour séparer une phase gazeuse et une phase liquide d’un mélange provenant de la zone de réaction catalytique 22. Ce dispositif de séparation gaz/liquide comprend au moins :
-- une coupelle de recycle 30 comportant une partie supérieure cylindrique 42 prolongée par une partie inférieure tronconique 43 munie de conduits verticaux 27 pour le passage dudit mélange à travers la coupelle de recycle, ladite partie inférieure tronconique 43 ayant un angle d’inclinaison β fixe compris entre 50° et 85°par rapport à l’axe de révolution (Z) de ladite partie supérieure cylindrique 42, ladite coupelle de recycle 30 étant positionnée au-dessus de de la zone de réaction catalytique 22 et délimitant avec au moins l’extrémité supérieure 48 de l’enceinte la zone de recycle 39,
-- une conduite de recycle 25 du liquide située à l’apex de ladite partie inférieure tronconique 43 et en communication fluidique avec l’extrémité inférieure 49 de l’enceinte par des moyens de recirculation.
-- une coupelle de recycle 30 comportant une partie supérieure cylindrique 42 prolongée par une partie inférieure tronconique 43 munie de conduits verticaux 27 pour le passage dudit mélange à travers la coupelle de recycle, ladite partie inférieure tronconique 43 ayant un angle d’inclinaison β fixe compris entre 50° et 85°par rapport à l’axe de révolution (Z) de ladite partie supérieure cylindrique 42, ladite coupelle de recycle 30 étant positionnée au-dessus de de la zone de réaction catalytique 22 et délimitant avec au moins l’extrémité supérieure 48 de l’enceinte la zone de recycle 39,
-- une conduite de recycle 25 du liquide située à l’apex de ladite partie inférieure tronconique 43 et en communication fluidique avec l’extrémité inférieure 49 de l’enceinte par des moyens de recirculation.
Dans la présente description, on entend par cylindre un cylindre de révolution.
Ce réacteur 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 liquides contenant de fines particules solides dispersées en son 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 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 est conçu avec un conduit d’entrée approprié 12 pour l’injection d’une charge hydrocarbonée lourde 11 et d’un gaz 13 contenant de l’hydrogène. Ce conduit d’entrée est situé dans la partie inférieure du réacteur, qu’on désigne par extrémité inférieure 48 de l’enceinte 10 du réacteur. Les conduits de sortie sont positionnés dans la partie supérieure du réacteur, qu’on désigne par extrémité supérieure 48 de l’enceinte 10 du réacteur. Un conduit de sortie 40 est conçu pour soutirer des vapeurs pouvant contenir une certaine quantité de liquide. Le réacteur contient aussi un système permettant l’introduction et le soutirage de particules de catalyseur montré schématiquement par le conduit 15 pour l’introduction du catalyseur frais 16, et le conduit 17 pour le soutirage du catalyseur usé 14.
La charge lourde d’hydrocarbures est introduite à travers le conduit 11, pendant que le gaz contenant l’hydrogène est introduit à travers le conduit 13. Le mélange charge et hydrogène gazeux est ensuite introduit dans l’enceinte 10 du réacteur à travers le conduit 12 dans l’extrémité inférieure 49 de l’enceinte du réacteur.
Les fluides entrant passent à travers un plateau de distribution 18, e.g. une grille, 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 section de l’enceinte 10 du réacteur, et ceci de la manière la plus homogène possible, peut être utilisé.
Le mélange liquide/gaz 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 des moyens de recirculation, e.g. la pompe de recirculation 20 aussi appelée pompe d’ébullition (connue en anglais sous le nom de « ebullation pump »), qui peut être interne ou externe à l’enceinte 10 du réacteur.
L’écoulement ascendant de liquide délivré par la pompe 20 est suffisant pour que la masse de catalyseur dans la zone de réaction ou lit catalytique 22 s’expanse d’au moins 10% en volume, de préférence de 10 % à 100 % en volume et plus préférentiellement de 20% à 100% en volume 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 l’enceinte 10 du réacteur, 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 de l’enceinte 10 du réacteur 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 de distribution 18 jusqu’au niveau 23.
Au-dessus de l’interface 23 se trouve une zone 29 appauvrie en catalyseur (comparativement à la zone 22) et ne contenant quasiment que du gaz et du liquide. Le gaz comprend notamment l’hydrogène introduit par le conduit 13 et d’autres composés gazeux contenus initialement dans la charge ou formés par les réactions dans le réacteur. Les particules de catalyseur dans la zone de réaction 22 sont en mouvement aléatoire à l’état fluidisé, raison pour laquelle la zone réactionnelle 22 est aussi qualifiée de zone fluidisée triphasique.
La zone 29, à faible concentration de catalyseur au-dessus du niveau 23, est remplie de liquide et de gaz entrainé. Le gaz est séparé du liquide dans la partie supérieure du réacteur, dans la zone de recycle 39, adjacente à l’extrémité supérieure 48 de l’enceinte 10 du réacteur, zone 39 dans laquelle est implanté une coupelle de recycle 30, aussi communément appelée « recycle cup » en anglais, afin de collecter et recycler la majeure partie du liquide à travers la conduite centrale de recycle 25. Il est important que le liquide recyclé à travers la conduite de recycle 25 contienne le moins de gaz possible, voire pas de gaz du tout, pour éviter le phénomène de cavitation de la pompe 20.
Le conduit 40 est utilisé pour le soutirage du gaz et d’une partie du liquide.
La coupelle de recycle 30, correspondant à une partie élargie à l’extrémité supérieure de la conduite de recycle 25, délimite, avec l’extrémité supérieure 49, la zone de recycle 39. La zone de recycle 39 comportant elle-même une zone supérieure contenant majoritairement le gaz séparé et une zone inférieure contenant majoritairement le liquide recyclé, séparée par un niveau non représenté. Une pluralité d’éléments de séparation (27,28) orientés verticalement et portés par la coupelle de recycle 30 créent le lien fluidique entre la zone gaz/liquide appauvrie en catalyseur 29 et la zone de recycle 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 la conduite centrale de recycle 25, et est donc recyclée vers l’extrémité inférieure 49 de l’enceinte 10 du réacteur en-dessous de la grille 18.
Le gaz séparé du liquide, s’écoule vers le sommet de l’extrémité supérieure 48 de l’enceinte 10 du réacteur, et est soutiré par le conduit supérieur 40. Le gaz soutiré est ensuite traité d’une manière conventionnelle pour récupérer autant d’hydrogène que possible afin que ce dernier soit recyclé dans l’enceinte 10 du réacteur à travers le conduit 13.
La présente invention n’exclut pas le traitement et/ou la conversion d’une charge solide d’hydrocarbures, e.g. du charbon, dans le réacteur en présence d’un liquide, qui est une charge liquide d’hydrocarbures, e.g. un distillat sous vide (« vacuum gas oil » ou VGO en anglais) introduite dans le réacteur avec la charge solide et le liquide produit dans le réacteur par réaction de la charge solide avec de l’hydrogène. Un tel procédé connu mettant en œuvre un réacteur triphasique comportant un lit bouillonnant catalytique est le procédé « H-Coal », par exemple le procédé H-CoalTS TM(TS pour « two stage ») mettant en œuvre deux réacteurs triphasiques à lit bouillonnant successifs tel que décrit dans le brevet US4874506, fonctionnant de manière similaire au procédé H-OilTMmais adapté à la conversion de charbon en produits hydrocarbonés stables plus légers et débarrassés de leur impuretés pour la production de carburants. Dans ce cas, ce qui est introduit dans le réacteur triphasique est un mélange de charge solide, e.g. du charbon, et un charge liquide, formant une suspension (ou « slurry » en anglais). La phase liquide séparée de la phase gaz dans le dispositif de séparation gaz/liquide du réacteur, et la recycle de liquide séparé par la coupelle de recycle et la conduite de recycle est celle du liquide produit dans le réacteur par la conversion du charbon et la charge liquide d’hydrocarbures liquide introduite avec le charbon.
L’organisation générale de la circulation des fluides n’est pas modifié dans la présente invention par rapport à l’art antérieur tel qu’il vient d’être décrit. Seule est modifiée la géométrie de la coupelle de recycle 30 et le dimensionnement de la zone de recycle 39 comme cela est décrit ci-après, en relation avec la figure 2.
Selon l’invention, la géométrie de la coupelle de recycle et le dimensionnement de la partie haute du réacteur permettent d’augmenter le volume catalytique et de diminuer les zones thermiques non catalytiques de formation de sédiments. En conséquence, la stabilité des effluents liquides produits lors de l’hydroconversion est améliorée tout en continuant à assurer une bonne séparation gaz/liquide en tête du réacteur pour une recycle de liquide dépourvu au maximum de gaz en bas du réacteur, à destination de la zone de réaction catalytique.
La figure 2 est un schéma plus précis de la zone de recycle 39 du réacteur représenté à la figure 1. En particulier, ce schéma illustre la géométrie et le fonctionnement d’un réacteur selon l’invention et son dispositif de séparation gaz/liquide comportant la coupelle de recycle 30 et la conduite de recycle 25 du liquide séparé, en tête du réacteur. La figure 2 fait apparaître les dimensions géométriques importantes pour le dimensionnement dudit dispositif et de la zone de recycle 39.
La zone de recycle du liquide 39 est adjacente à l’extrémité supérieure 48 de l’enceinte 10 du réacteur, et comprend au moins en partie le dispositif de séparation gaz/liquide configuré pour séparer une phase gazeuse et une phase liquide du mélange provenant de la zone de réaction catalytique 22.
Le dispositif de séparation gaz/liquide comprend notamment une coupelle de recycle 30 comportant une partie supérieure cylindrique 42 prolongée par une partie inférieure tronconique 43, et une conduite de recycle 25 du liquide, située à l’apex de la partie inférieure tronconique 43 et en communication fluidique avec l’extrémité inférieure 49 de l’enceinte par des moyens de recirculation.
La coupelle de recycle 30 est positionnée au-dessus de la zone de réaction catalytique 22, et plus particulièrement au-dessus de la zone 29 elle-même surmontant la zone de réaction catalytique 22, et délimite, avec au moins l’extrémité supérieure 48 de l’enceinte, la zone de recycle 39. La zone de recycle a une hauteur L qui peut être définie comme étant la distance entre le sommet de la conduite de recycle 25 et le sommet de l’extrémité supérieure 48, tel que représenté à la figure 2.
Le sommet du cône de la partie inférieure tronconique 43 est dirigé vers le bas du réacteur, c’est-à-dire vers l’extrémité inférieure de l’enceinte du réacteur comportant les moyens d’injection de la charge.
La partie inférieure tronconique 43 est munie des conduits verticaux 27 pour le passage du mélange gaz/liquide à travers la coupelle de recycle, déjà décrits plus haut en relation avec la figure 1. Ces éléments de passage et de séparation gaz/liquide peuvent être de simples conduits verticaux traversant la paroi de la partie inférieure tronconique 43, tel que représenté, mais peuvent également être tout autre élément de passage et de séparation gaz/liquide tel que décrit dans les demandes de brevets FR3058420A1 et FR3058421A1.
En particulier, à l’instar de ce qui est décrit dans la demande FR3058420A1, la partie inférieure tronconique 43 peut être munie d’une pluralité d’éléments de séparation 27 verticaux fonctionnant en parallèle, chaque élément de séparation 27 possédant un conduit d’admission du mélange gaz liquide ouvert sur la surface de la partie tronconique 43 et s’élevant jusqu’à une hauteur donnée à l’intérieur de la zone de recycle 39, et se terminant par une succession de 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, et un second coude situé dans le plan (XY), l’axe X étant lui-même perpendiculaire à l’axe Y. De préférence, l’angle d’orientation du premier coude dans le plan (XY), l’angle d’orientation du second coude dans le plan (XY) et la distance séparant deux coudes successifs ont des valeurs spécifique : le premier coude dans le plan (YZ) peut avoir son orientation définie par son angle α1compris entre 45° et 315°, de préférence entre 60° et 300°, et de manière préférée entre 80° et 200°, et le second coude situé dans le plan (XY), peut avoir son orientation définie par son angle β1compris entre 0° et 135°, de préférence entre 10° et 110°, et de manière préférée entre 30° et 100°, les deux coudes successifs étant séparés d’une distance comprise entre la moitié du diamètre du conduit d’admission et 4 fois le diamètre du conduit d’admission.
Alternativement, à l’instar de ce qui est décrit dans la demande FR3058421A1, la partie inférieure tronconique 43 peut être munie d’une pluralité d’éléments de séparation 27 verticaux fonctionnant en parallèle, chaque élément de séparation 27 possédant un conduit d’admission du mélange gaz liquide ouvert sur la surface de la partie tronconique 43 et s’élevant jusqu’à une hauteur donnée à l’intérieur de la zone de recycle 39, et étant coiffé d’une calotte supérieure munie d’un conduit d’évacuation du gaz situé en partie supérieure de ladite calotte, et d’un élément tubulaire sensiblement coaxial au conduit d’admission et permettant le retour du liquide, chaque élément 27 étant équipé d’une spirale hélicoïdale située à l’intérieur du conduit d’admission dans la partie supérieure des éléments 27. De préférence la spirale hélicoïdale forme un angle γ1avec l’horizontale compris entre 10° et 80°, de préférence entre 20° et 70°, et de manière préférée entre 35° et 60°, et cette spirale hélicoïdale effectue de préférence sur l’ensemble de sa hauteur un nombre de rotations compris entre 0,5 et 4, chaque rotation correspondant à 1 tour à 360°, et de préférence entre 0,5 et 2 tours à 360°.
La partie inférieure tronconique 43 de la coupelle de recycle peut également comporter d’autres types d’éléments de passage et de séparation gaz/liquide connus.
Selon l’invention, cette partie inférieure tronconique 43 a un angle d’inclinaison β fixe compris entre 50° et 85°par rapport à l’axe de révolution (Z) de la partie supérieure cylindrique 42. De préférence, l’angle β est compris entre 55° et 80°, et plus préférentiellement compris entre 60° et 75°. L’angle β est par exemple avantageusement égal à 75°. Cette inclinaison spécifique permet d’avoir un rapport volume catalytique/volume thermique plus important par rapport aux réacteurs connus comportant des coupelles de recycle classiques, pour un même catalyseur et à iso expansion, i.e. même taux d’expansion du catalyseur, résultant notamment en des bénéfices en termes de stabilité des effluents produits lors de l’hydroconversion de charges lourdes et en termes de performances générales du procédé d’hydroconversion. Par volume thermique on entend les zones du réacteur hors zone catalytique en lit bouillonnant 22 (zones 39, 29, conduite 25, partie inférieure 49). Le volume thermique ne comprend pas de catalyseur supporté hormis des fines. Par volume catalytique on entend la zone de réaction catalytique en lit bouillonnant 22. Un volume thermique réduit permet notamment d’éviter le craquage thermique avec la formation des précurseurs d’encrassement (espèces très visqueuses et/ou collantes composées par des asphaltènes et du coke), qui ne sont pas désirés dans un procédé d’hydroconversion , et un volume catalytique augmenté permet en particulier des performances catalytiques d’hydrotraitement plus importantes et une stabilisation des précurseurs d’encrassement .
Selon un mode de réalisation, un espace annulaire E est formé entre la partie supérieure cylindrique de la coupelle de recycle et la paroi latérale de l’enceinte. Cet espace constitue alors un passage pour le mélange gaz/liquide l’instar des conduits 27, et peut ainsi participer à la séparation gaz/liquide. La largeur de cet espace annulaire, définie perpendiculairement à la paroi latérale de l’enceinte et à la partie supérieure cylindrique de la coupelle de recycle, est de préférence compris entre 0,01 m et D1/3 m, plus préférentiellement compris entre 0,01 m et D1/4, et de manière encore plus préférée compris entre 0,01 m et D1/8.
Selon un mode de réalisation, la partie supérieure cylindrique de la coupelle de recycle est formée par la paroi latérale de l’enceinte. Il s’agit d’une configuration où la coupelle s’étend sur toute la section de l’enceinte, sans espace annulaire E entre la coupelle et la paroi latérale de l’enceinte du réacteur. Selon ce mode de réalisation, le mélange gaz/liquide entre dans la zone de recycle à travers la coupelle de recycle uniquement par les conduits 27. Dans ce cas, les vitesses gaz et liquide sont plus importantes et la séparation gaz/liquide dans les éléments 27 décrits précédemment est améliorée.
Le diamètre L1de la partie supérieure cylindrique 42 de la coupelle de recycle résulte directement du diamètre D1de l’enceinte du réacteur et de la longueur de l’espace annulaire E. Ainsi, lorsqu’un tel espace annulaire E existe, le diamètre L1de la partie supérieure cylindrique 42 de la coupelle de recycle est égal à la différence entre le diamètre D1de l’enceinte du réacteur et deux fois la largeur de l’espace annulaire E. L1est ainsi de préférence compris entre 1,1xD2et D1-2x0,01m, plus préférentiellement compris entre 1,5xD2et D1-2x0,01m, et de manière encore plus préférée compris entre 2xD2et D1-2x0,01m.
A titre indicatif, et sans être limitatif, le diamètre D1peut être compris entre 0,1 m et 30 m, de préférence entre 0,5 m et 20 m, et de manière très préférée entre 1 m et 10 m.
La hauteur L6de la partie supérieure cylindrique 42 est de préférence comprise entre 0,001xD1et 2xD1, plus préférentiellement comprise entre 0,1x D1et D1, et de manière plus préférée comprise entre 0,15x D1et 0,9x D1.
La distance L7définie entre le sommet de la partie supérieure cylindrique 42 et le bas de l’extrémité supérieure 48 de l’enceinte est de préférence compris entre 0,001xD1et 2xD1, plus préférentiellement comprise entre 0,1x D1et D1, et de manière plus préférée comprise entre 0,15x D1et 0,9x D1.
Selon l’invention, l’extrémité supérieure de l’enceinte a de préférence une forme convexe, et présente avantageusement un rapport L5/D1compris entre 0,01 et 20, L5étant la hauteur de l’extrémité supérieure de l’enceinte. Plus préférentiellement le rapport L5/D1est compris entre 0,02 et 10, et encore plus préférentiellement est compris entre 0,1 et 5. Par exemple le rapport L5/D1est égal à 4.
La conduite de recycle 25 est de préférence cylindrique. Le diamètre D2de la conduite de recycle est de préférence compris entre 0,1 m et 3 m, plus préférentiellement compris entre 0,3 m et 2 m. Le diamètre D2est de préférence fixé pour avoir une vitesse liquide dans la conduite 25 comprise entre 0,01 m/s et 80 m/s, de préférence entre 0,02 m/s et 40 m/s et de manière préférée entre 0,05 m/s et 10 m/s.
Le mélange de gaz et le liquide provenant de la zone 39 de l’enceinte du réacteur a un écoulement ascendant montré par les flèches de direction 41 et est introduit à travers les conduits 27, et éventuellement par l’espace annulaire E s’il existe, qui constituent une liaison fluidique entre la zone 29 et la zone de recycle 39. Ledit mélange peut également contenir des fines de catalyseur (usuellement de diamètre inférieur à 500 microns) ou toute autre solide dispersé, tel que des asphaltènes précipités, des particules de coke, des sulfures de métaux tels que nickel, vanadium, fer, molybdène.
Dans la zone de recycle 39, il existe un niveau (non représenté) qui sépare une partie supérieure de la zone 39 contenant majoritairement le gaz séparé, d’une partie inférieure contenant majoritairement le liquide recyclé. La sortie des conduits 27 se situe généralement au-dessus de ce niveau. Le liquide séparé issu du conduit 27 s’écoule vers le bas par l’intermédiaire de la paroi tronconique 43, et est collecté par le conduit de recycle central, pour être de préférence repris par la pompe de recycle 20 .
La majeure partie du liquide ainsi séparé 31 est donc recyclée vers l’extrémité inférieure de l’enceinte du réacteur par l’intermédiaire de la conduite de recycle 25, avec des moyens de recirculation, de préférence comportant la pompe d’ébullition 20. Plus précisément, le liquide recyclé est envoyé par les moyens de recirculation, dans l’extrémité 49 de l’enceinte, en dessous de la grille de distribution 18. Le gaz 40a, qui peut être accompagné d’une partie de liquide non séparé, est évacué de l’enceinte du réacteur à travers le conduit 40. Le conduit 40 peut comprendre des fentes à son extrémité ouverte dans l’enceinte du réacteur en son extrémité inférieure qui peuvent permettre de de fixer la hauteur de l’interface liquide-gaz.
La présente invention porte aussi sur un procédé d’hydroconversion d’une charge d’hydrocarbures comportant un réacteur selon invention. Il peut par exemple d’agir d’un procédé d’hydroconversion d’une charge liquide d’hydrocarbures, ou d’une charge solide d’hydrocarbures, e.g. du charbon.
Selon une mise en œuvre, la présente invention porte sur un procédé d’hydroconversion d’une charge liquide d’hydrocarbures, de préférence une charge liquide lourde, comportant un réacteur selon invention, dans lequel :
- on introduit de l’hydrogène et la charge liquide d’hydrocarbures dans l’extrémité inférieure 49 de l’enceinte du réacteur selon un flux ascendant suffisant pour produire un mouvement aléatoire d’un catalyseur sous forme de particules dans la zone de réaction catalytique 22 ;
- on maintient le catalyseur en lit bouillonnant dans la zone de réaction catalytique 22 avec une expansion volumétrique comprise entre 10% et 100% par rapport au volume statique dudit catalyseur par l’injection de liquide recyclé, de préférence au moyen d’une pompe, issu de la zone de recycle adjacente à l’extrémité supérieure de l’enceinte par l’intermédiaire de la conduite de recycle 25, pour réaliser les réactions d’hydroconversion de la charge;
- on sépare une phase gaz d’une phase liquide d’un mélange provenant de la zone de réaction catalytique et envoyé dans les conduits 27 de la coupelle de recycle 30, une partie du liquide ainsi séparé constituant le liquide recyclé envoyé dans l’extrémité inférieure de l’enceinte du réacteur ; et
- on évacue du réacteur le gaz et l’autre partie du liquide séparé présents dans la zone de recycle 39.
- on introduit de l’hydrogène et la charge liquide d’hydrocarbures dans l’extrémité inférieure 49 de l’enceinte du réacteur selon un flux ascendant suffisant pour produire un mouvement aléatoire d’un catalyseur sous forme de particules dans la zone de réaction catalytique 22 ;
- on maintient le catalyseur en lit bouillonnant dans la zone de réaction catalytique 22 avec une expansion volumétrique comprise entre 10% et 100% par rapport au volume statique dudit catalyseur par l’injection de liquide recyclé, de préférence au moyen d’une pompe, issu de la zone de recycle adjacente à l’extrémité supérieure de l’enceinte par l’intermédiaire de la conduite de recycle 25, pour réaliser les réactions d’hydroconversion de la charge;
- on sépare une phase gaz d’une phase liquide d’un mélange provenant de la zone de réaction catalytique et envoyé dans les conduits 27 de la coupelle de recycle 30, une partie du liquide ainsi séparé constituant le liquide recyclé envoyé dans l’extrémité inférieure de l’enceinte du réacteur ; et
- on évacue du réacteur le gaz et l’autre partie du liquide séparé présents dans la zone de recycle 39.
Le procédé a été déjà décrit en partie plus haut en relation avec la figure 1.
De préférence, les conditions opératoires du réacteur 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
- 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 et 460°C, la plage de température privilégiée se situant entre 380°C et 440°C.
- 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 et 460°C, la plage de température privilégiée se situant entre 380°C et 440°C.
La charge est de préférence une charge lourde d’hydrocarbures contenant une fraction d'au moins 50% poids ayant une température d'ébullition d'au moins 300°C, de préférence d’au moins 350°C, et de manière encore plus préférée d'au moins 375°C.
Cette charge lourde d’hydrocarbures peut être un pétrole brut, ou provenir du raffinage d’un pétrole brut ou du traitement d’une autre source hydrocarbonée dans une raffinerie.
De préférence, la charge est un pétrole brut ou est constituée de résidus atmosphériques et/ou de résidus sous vide issus de la distillation atmosphérique et/ou sous vide d’un pétrole brut.
La charge lourde d’hydrocarbures peut aussi être constituée de résidus atmosphérique et/ou sous vide issus de la distillation atmosphérique et/ou sous vide d’effluents provenant d’unités de conversion thermique, d’hydrotraitement, d’hydrocraquage et/ou d’hydroconversion.
De manière préférée, la charge est constituée de résidus sous vide. Ces résidus sous vide contiennent généralement une fraction d'au moins 50% poids ayant une température d'ébullition d'au moins d'au moins 450°C, et le plus souvent d'au moins 500°C, voire d'au moins 540°C. Les résidus sous vide peuvent venir directement du pétrole brut, soit d’autres unités de raffinage, telles que, entre autres, l’hydrotraitement des résidus, l’hydrocraquage de résidus, et la viscoréduction de résidus. De préférence, les résidus sous vide sont des résidus sous vide issus de la colonne de la distillation sous vide du fractionnement primaire du brut (dit "straight run" selon la terminologie anglo-saxonne).
La charge peut encore être constituée de distillats sous vide, provenant soit directement du pétrole brut, soit de coupes provenant d’autres unités de raffinage, telles que, entre autres, des unités de craquage, comme le craquage catalytique en lit fluide FCC (pour « Fluid Catalytic Cracking » en anglais) et l’hydrocraquage, et d’unités de conversion thermique, comme les unités de cokéfaction ou les unités de viscoréduction.
Elle peut aussi être constituée de coupes aromatiques extraites d’une unité de production de lubrifiants, d’huiles désasphaltées issues d'une unité de désasphaltage (raffinats de l’unité de désasphaltage), d’asphaltes issus d'une unité de désasphaltage (résidus de l’unité de désasphaltage).
La charge lourde d’hydrocarbures peut également être une fraction résiduelle issue de la liquéfaction directe de charbon (un résidu atmosphérique et/ou un résidu sous vide issu par exemple du procédé H-CoalTM), un distillat sous vide issu de la liquéfaction directe de charbon, comme par exemple le procédé H-CoalTM, ou encore une fraction résiduelle issue de la liquéfaction directe de la biomasse lignocellulosique seule ou en mélange avec du charbon et/ou une fraction pétrolière.
Toutes ces charges peuvent être utilisées pour constituer la charge lourde d’hydrocarbures traitée selon l’invention, seules ou en mélange.
La charge lourde d’hydrocarbures contient des impuretés, comme des métaux, du soufre, de l’azote, du carbone de Conradson. Elle peut aussi contenir des insolubles à l'heptane, également appelée asphaltènes C7. Les teneurs en métaux peuvent être supérieures ou égales à 20 ppm poids, de préférence supérieures ou égales à 100 ppm poids. La teneur en soufre peut être supérieure ou égale à 0,1%, voire supérieure ou égale à 1%, et peut être supérieure ou égale à 2% poids. Le taux d'asphaltènes C7 (composés insolubles à l'heptane selon la norme NFT60-115 ou la norme ASTM D 6560) s'élève au minimum à 1% et est souvent supérieur ou égal à 3% poids. Les asphaltènes C7sont des composés connus pour inhiber la conversion de coupes résiduelles, à la fois par leur aptitude à former des résidus hydrocarbonés lourds, communément appelés coke, et par leur tendance à produire des sédiments qui limitent fortement l'opérabilité des unités d'hydrotraitement et d'hydroconversion. La teneur en carbone Conradson peut être supérieure ou égale à 0,5%, voire d'au moins 5% poids. La teneur en carbone Conradson est définie par la norme ASTM D 482 et représente pour l'homme du métier une évaluation bien connue de la quantité de résidus de carbone produit après une pyrolyse sous des conditions standards de température et de pression.
Plusieurs réacteurs selon l’invention peuvent être opérés en série ou en parallèle, ou avec des d’autres réacteurs triphasiques selon l’art antérieur.
Avantageusement deux étapes d’hydroconversion successives sont réalisées, avec optionnellement une étape de séparation entre les étapes d’hydroconversion, chaque étape d’hydroconversion pouvant mettre en œuvre un ou plusieurs réacteurs triphasiques fonctionnant en lit bouillonnant selon l’invention. Une étape de fractionnement d’au moins une partie de l’effluent hydroconverti issu de la dernière étape d’hydroconversion est généralement réalisé, dans l’objectif de séparer les effluents à différents points de coupe et avantageusement d’obtenir au moins une fraction liquide lourde appelée résidu sous vide non converti bouillant majoritairement à une température supérieure à 300°C, de préférence supérieure à 500°C et de manière préférée supérieure à 540°C.
Ces étapes sont avantageusement réalisées en mettant en œuvre au moins un réacteur selon l’invention, et peuvent mettre en œuvre d’autres dispositifs et dans des conditions opératoires du procédé H-OilTMdécrites par exemple dans les brevets US 4521295 ou US 4495060 ou US 4457831 ou dans l'article Aiche, March 19-23, 1995, Houston, Texas, paper number 46d, "Second generation ebullated bed technology".
Le procédé H-OilTMest un procédé d’hydroconversion de coupes hydrocarbonées lourdes, de type gazole sous vide (« vacuum gas oil » ou VGO en anglais) 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 d’une taille typiquement comprise entre 0,2 mm et 2 mm.
Le réacteur d’hydroconversion est opéré en lit fluidisé triphasique, également appelé lit bouillonnant, comme déjà décrit plus haut. Le réacteur comporte avantageusement une pompe de recirculation permettant le maintien du catalyseur en lit bouillonnant par recyclage continu d'au moins une partie d'une fraction liquide soutirée à l’extrémité supérieure du réacteur et réinjectée à l’extrémité inférieure du réacteur.
Le taux de recyclage liquide, caractéristique importants du réacteur utilisé dans un procédé de type de type H-OilTM, et défini comme le rapport du débit liquide recyclé sur le débit de charge liquide entrant, est généralement compris entre 1 à 10.
Le catalyseur d'hydroconversion utilisé dans les étapes d'hydroconversion du procédé selon l'invention contient un ou plusieurs éléments des groupes 4 à 12 du tableau périodique des éléments, qui peuvent être déposés sur un support. On peut avantageusement utiliser un catalyseur comprenant un support, de préférence amorphe, tels que de la silice, de l'alumine, de la silice-alumine, du dioxyde de titane ou des combinaisons de ces structures, et de manière très préférée de l'alumine, et au moins un métal du groupe VIII choisi parmi le nickel et le cobalt et de préférence le nickel, ledit élément du groupe VIII étant de préférence utilisé en association avec au moins un métal du groupe VIB choisi parmi le molybdène et le tungstène et de préférence, le métal du groupe VIB est le molybdène.
Le catalyseur d'hydroconversion peut être un catalyseur comprenant un support alumine et au moins un métal du groupe VIII choisi parmi le nickel et le cobalt, de préférence le nickel, ledit élément du groupe VIII étant utilisé en association avec au moins un métal du groupe VIB choisi parmi le molybdène et le tungstène, de préférence, le métal du groupe VIB est le molybdène. De préférence, le catalyseur d'hydroconversion comprend le nickel en tant qu'élément du groupe VIII et le molybdène en tant qu'élément du groupe VIB. La teneur en nickel est avantageusement comprise entre 0,5 à 10 % exprimée en poids d'oxyde de nickel (NiO) et de préférence entre 1 à 6 % poids, et la teneur en molybdène est avantageusement comprise entre 1 et 30 % exprimée en poids de trioxyde de molybdène (MoO3) et de préférence entre 4 et 20 % poids. Ce catalyseur est avantageusement utilisé sous forme d'extrudés ou de billes.
La présente invention n’exclut pas la mise en œuvre, en plus du catalyseur supporté, d’un catalyseur entraîné (dit "slurry" selon la terminologie anglo-saxonne) qui entre dans le réacteur avec la charge et qui est entraîné en dehors du réacteur avec les effluents. Il est parfois fait référence à un fonctionnement en lit hybride pour désigner le fonctionnement d’un tel réacteur mettant en œuvre des catalyseurs de granulométrie très différentes, comportant simultanément au moins un catalyseur qui est maintenu dans le réacteur en lit bouillonnant et au moins un catalyseur entrainé.
Selon une autre mise en œuvre, la présente invention porte sur un procédé d’hydroconversion d’une charge solide d’hydrocarbures, e.g. du charbon, comportant un réacteur selon invention, dans lequel :
- on introduit de l’hydrogène, et un mélange de la charge solide d’hydrocarbures et d’une charge liquide d’hydrocarbures dans l’extrémité inférieure 49 de l’enceinte du réacteur selon un flux ascendant suffisant pour produire un mouvement aléatoire d’un catalyseur sous forme de particules dans la zone de réaction catalytique 22 ;
- on maintient le catalyseur en lit bouillonnant dans la zone de réaction catalytique 22 avec une expansion volumétrique comprise entre 10% et 100% par rapport au volume statique dudit catalyseur par l’injection de liquide recyclé, de préférence au moyen d’une pompe, issu de la zone de recycle adjacente à l’extrémité supérieure de l’enceinte par l’intermédiaire de la conduite de recycle 25, pour réaliser les réactions d’hydroconversion de la charge solide ;
- on sépare une phase gaz d’une phase liquide d’un mélange provenant de la zone de réaction catalytique et envoyé dans les conduits 27 de la coupelle de recycle 30, une partie du liquide ainsi séparé constituant le liquide recyclé envoyé dans l’extrémité inférieure de l’enceinte du réacteur ; et
- on évacue du réacteur au moins le gaz et l’autre partie du liquide séparé présents dans la zone de recycle 39.
- on introduit de l’hydrogène, et un mélange de la charge solide d’hydrocarbures et d’une charge liquide d’hydrocarbures dans l’extrémité inférieure 49 de l’enceinte du réacteur selon un flux ascendant suffisant pour produire un mouvement aléatoire d’un catalyseur sous forme de particules dans la zone de réaction catalytique 22 ;
- on maintient le catalyseur en lit bouillonnant dans la zone de réaction catalytique 22 avec une expansion volumétrique comprise entre 10% et 100% par rapport au volume statique dudit catalyseur par l’injection de liquide recyclé, de préférence au moyen d’une pompe, issu de la zone de recycle adjacente à l’extrémité supérieure de l’enceinte par l’intermédiaire de la conduite de recycle 25, pour réaliser les réactions d’hydroconversion de la charge solide ;
- on sépare une phase gaz d’une phase liquide d’un mélange provenant de la zone de réaction catalytique et envoyé dans les conduits 27 de la coupelle de recycle 30, une partie du liquide ainsi séparé constituant le liquide recyclé envoyé dans l’extrémité inférieure de l’enceinte du réacteur ; et
- on évacue du réacteur au moins le gaz et l’autre partie du liquide séparé présents dans la zone de recycle 39.
Exemples
Les exemples ci-après montrent certains des avantages de l’invention dans le cadre d’une mise en œuvre de l’invention pour l’hydroconversion de charges d’hydrocarbures lourdes selon un procédé de type H-OilTM, notamment les gains en termes de rapport volume catalytique/volume thermique, de performances d’hydroconversion et une baisse de la teneur en sédiments des effluents.
Exemple 1 : Ratio volume catalytique/volume thermique
Dans ce premier exemple, il est comparé la mise en œuvre d’un réacteur selon l’art antérieur comportant une coupelle de recycle d’angle d’inclinaison de 45° (réacteur A) et d’un exemple de réacteur selon l’invention comportant une coupelle de recycle d’angle d’inclinaison de 75° (réacteur B), pour l’hydroconversion d’une charge lourde.
Le tableau 1 ci-dessous présente les principales caractéristiques géométriques des deux réacteurs simulés, ainsi que les performances calculées en termes de ratio volume catalytique/volume thermique. Les paramètres géométriques des réacteurs sont identiques à l’exception de l’angle d’inclinaison de la partie inférieure tronconique de la coupelle de recycle. Le taux d’expansion du catalyseur est identique dans les deux réacteurs.
| Réacteur A (art antérieur) | Réacteur B (selon l’invention) | |
| Diamètre D 1 (m) | 4,9 | 4,9 |
| Diamètre D 2 (m) | 0,8 | 0,8 |
| Angle β | 45° | 75° |
| Gain de hauteur du lit catalytique 22 | - | 1,5 m |
| V olume catalytique 22 | 532,5 m3 | 559,6 m3 |
| V olume thermique (sans catalyseur) | 123,8 m3 | 96,3 m3 |
| Ratio Volume lit catalytique/Volume thermique | 4,3 | 5,8 |
Cet exemple montre un gain de volume catalytique et une baisse du volume thermique dans le cas du réacteur B selon l’invention comparativement au réacteur A. Le ratio volume catalytique/volume thermique est donc significativement augmenté dans le cas du réacteur B (+26%).
Exemple 2
:
Teneur en sédiments et autres performances d’hydroconversion
Ce deuxième exemple vise à montrer l’impact pour l’hydroconversion d’une charge lourde d’un gain en ratio volume catalytique/volume thermique, permis par ailleurs par la mise en œuvre d’un exemple de réacteur selon l’invention (réacteur B) comme montré à l’exemple 1, notamment sur la teneur en sédiments des effluents produits et sur certaines performances d’hydroconversion (conversion de la charge et teneur en asphaltènes dans les effluents).
Dans ce deuxième exemple, une charge lourde d’hydrocarbures, dont les caractéristiques principales sont données dans le tableau 2 ci-dessous, est envoyée dans un procédé d’hydroconversion mettant en œuvre deux réacteurs triphasiques en série en présence d'hydrogène, selon les conditions opératoires données dans le tableau 3 plus bas.
Dans cet exemple, il ne s’agit pas de tester un exemple de réacteur selon l’invention, mais de tester un réacteur présentant un ratio volume catalytique/volume thermique différent.
Dans un premier cas testé (Cas 1), les deux réacteurs triphasiques en série, sans coupelle de recycle, ont un ratio égal à 0,64.
Dans un deuxième cas testé (Cas 2), les deux réacteurs triphasiques en série, sans coupelle de recycle, ont un ratio volume catalytique / volume thermique égal à 1,1.
Le taux d’expansion du catalyseur est de 40% pour les deux cas.
On rappelle que ce deuxième exemple permet de montrer l’impact d’un gain de ratio volume catalytique / volume thermique, ce qui peut être fait sans avoir à mettre en œuvre directement le réacteur selon l’invention, mais plus simplement en mettant en œuvre un réacteur classique, sans coupelle de recycle, présentant un ratio volume catalytique / volume thermique plus grand.
| Charge | Résidu sous Vide ( RSV ) | |
| Teneur en 540°C+ | %poids | 82 |
| Densité | 1,024 | |
| Nickel + Vanadium | ppm poids | 217,5 |
| Soufre | %poids | 4,89 |
| AsC 7 | %poids | 12,6 |
| Conradson C arbon (CCR) | %poids | 21,6 |
| IP-375 | %poids | < 0,01 |
| Conditions opératoires et performances obtenues | Cas 1 | Cas 2 | |
| VVH réacteur | h-1 | 0,2 | 0,2 |
| P totale | MPa | 16 | 16 |
| Température | °C | 420 | 420 |
| Volume cataly tique / Volume thermique | - | 0,64 | 1,1 |
| Age catalyseur | bbl/lb | 0,6 | 0,6 |
| HDC540°C+ | %poids | 77 | 76 |
| HDS | %poids | 83 | 86 |
| HDM | %poids | 92 | 94 |
| HDAsC 7 | %poids | 74 | 83 |
| HDCCR | %poids | 69 | 76 |
| Sédiments de coupe effluente 350°C+ (mesurés par IP-375) | %poids | 0,82 | 0,13 |
La comparaison entre ces deux cas démontre l’effet bénéfique de l’augmentation du volume catalytique par rapport au volume thermique à iso-expansion (passage d’un ratio volume Catalytique / volume thermique de 0,64 sur le cas 1 à 1,1 sur le cas 2) sur les performances d’hydrotraitement et notamment un des effets les plus importants porte sur la stabilité des coupes lourdes liquides effluentes, quantifiée par les sédiments selon la méthode IP-375. On note que l’hydroconversion des asphaltènes C7, qui sont des composés insolubles à l'heptane selon la norme NFT60-115 ou la norme ASTM D 6560 (HDAsC7), est également plus importants dans le Cas 2, les performances d’hydroconversion de la charge (HDC540+ : fraction bouillant à une température supérieure ou égale à 540°C, qui est la fraction non convertie) étant aussi importantes dans le Cas 2 que dans le Cas 1.
Claims (16)
- Réacteur triphasique pour la réaction d’une charge d’hydrocarbures avec de l’hydrogène, comprenant :
- une enceinte (10) allongée et disposée verticalement comportant des extrémités supérieure (48) et inférieure (49) et une paroi latérale (47), ladite enceinte comprenant une zone de réaction catalytique (22) adjacente à l’extrémité inférieure (49) et adaptée à la réaction de la charge d’hydrocarbures et d’un gaz en présence d’un catalyseur en lit bouillonnant, et une zone de recycle d’un liquide (39) adjacente à l’extrémité supérieure (48),
- un dispositif de séparation gaz/liquide configuré pour séparer une phase gazeuse et une phase liquide d’un mélange provenant de ladite zone de réaction catalytique (22), et comprenant au moins :
-- une coupelle de recycle (30) comportant une partie supérieure cylindrique (42) prolongée par une partie inférieure tronconique (43) munie de conduits verticaux (27) pour le passage dudit mélange à travers la coupelle de recycle, ladite partie inférieure tronconique (43) ayant un angle d’inclinaison β fixe compris entre 50° et 85°par rapport à l’axe de révolution (Z) de ladite partie supérieure cylindrique (42), ladite coupelle de recycle (30) étant positionnée au-dessus de de la zone de réaction catalytique (22) et délimitant avec au moins l’extrémité supérieure (48) de l’enceinte la zone de recycle (39),
-- une conduite de recycle (25) du liquide située à l’apex de ladite partie inférieure tronconique (43) et en communication fluidique avec l’extrémité inférieure (49) de l’enceinte par des moyens de recirculation. - Réacteur selon la revendication 1, dans lequel l’angle β est compris entre 55° et 80°, et de préférence est compris entre 60° et 75°.
- Réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’angle β est égal à 75°.
- Réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’extrémité supérieure (48)de l’enceinte a une forme convexe et a un rapport L5/D1compris entre 0,01 et 20, de préférence compris entre 0,02 et 10, et plus préférentiellement compris entre 0,1 et 5, L5étant la hauteur de l’extrémité supérieure de l’enceinte et D1étant le diamètre de l’enceinte du réacteur dans la zone de recycle.
- Réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie supérieure cylindrique (42) de la coupelle de recycle (30) est formée par la paroi latérale (47) de l’enceinte (10).
- Réacteur selon l’un quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel un espace annulaire (E) est formé entre la partie supérieure cylindrique (42) de la coupelle de recycle et la paroi latérale (47) de l’enceinte.
- Réacteur selon la revendication 6, dans lequel l’espace annulaire a une largeur comprise entre 0,01 m et D1/3 m.
- Réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la hauteur L6de la partie supérieure cylindrique (42) est comprise entre 0,01xD1et 2xD1.
- Réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la distance L7entre le sommet de la partie supérieure cylindrique (42) de la coupelle de recycle (30) et le bas de l’extrémité supérieure (48) de l’enceinte est comprise entre 0,001xD1et 2xD1.
- Réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre D2de la conduite de recycle (25) est compris entre 0,1 m et 3m.
- Réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre D1de l’enceinte (10) du réacteur est compris entre 0,1 et 30 m, de préférence entre 0,5 m et 20 m, et de manière très préférée entre 1 m et 10 m.
- Procédé d’hydroconversion d’une charge d’hydrocarbures comportant un réacteur selon l’une quelconque des revendications précédentes.
- Procédé d’hydroconversion d’une charge liquide d’hydrocarbures, de préférence une charge liquide lourde d’hydrocarbures, selon la revendication 12, dans lequel :
- on introduit de l’hydrogène et la charge liquide d’hydrocarbures dans l’extrémité inférieure (49) de l’enceinte du réacteur selon un flux ascendant suffisant pour produire un mouvement aléatoire d’un catalyseur sous forme de particules dans la zone de réaction catalytique (22) ;
- on maintient le catalyseur en lit bouillonnant dans la zone de réaction catalytique (22) avec une expansion volumétrique comprise entre 10% et 100% par rapport au volume statique dudit catalyseur par l’injection de liquide recyclé, de préférence au moyen d’une pompe, issu de la zone de recycle adjacente à l’extrémité supérieure de l’enceinte par l’intermédiaire de la conduite de recycle (25), pour réaliser les réactions d’hydroconversion de ladite charge ;
- on sépare une phase gaz d’une phase liquide d’un mélange provenant de la zone de réaction catalytique et envoyé dans les conduits (27) de la coupelle de recycle (30), une partie du liquide ainsi séparé constituant le liquide recyclé envoyé dans l’extrémité inférieure de l’enceinte du réacteur ; et
- on évacue du réacteur le gaz et l’autre partie du liquide séparé présents dans la zone de recycle (39). - Procédé selon la revendication 13, dans lequel les conditions opératoires dudit réacteur sont les suivantes :
- une pression absolue comprise entre 2 et 35 MPa, de préférence entre 5 et 25 MPa, et de manière encore préférée, entre 6 et 20 MPa, et
- une température comprise entre 300°C et 550°C, de préférence comprise entre 350 et 500°C, plus préférentiellement comprise entre 370 et 460°C, et encore plus préférentiellement se situant entre 380°C et 440°C. - Procédé selon l’une quelconque des revendications 13 et 14, dans lequel la charge est une charge liquide lourde d’hydrocarbures, comportant une fraction d'au moins 50% poids ayant une température d'ébullition d'au moins 300°C, et contenant du soufre, du carbone Conradson, des métaux, et de l’azote.
- Procédé d’hydroconversion d’une charge solide d’hydrocarbures, de préférence du charbon, selon la revendication 12, dans lequel :
- on introduit de l’hydrogène, et un mélange de la charge solide d’hydrocarbures et d’une charge liquide d’hydrocarbures dans l’extrémité inférieure (49) de l’enceinte du réacteur selon un flux ascendant suffisant pour produire un mouvement aléatoire d’un catalyseur sous forme de particules dans la zone de réaction catalytique (22) ;
- on maintient le catalyseur en lit bouillonnant dans la zone de réaction catalytique (22) avec une expansion volumétrique comprise entre 10% et 100% par rapport au volume statique dudit catalyseur par l’injection de liquide recyclé, de préférence au moyen d’une pompe, issu de la zone de recycle adjacente à l’extrémité supérieure de l’enceinte par l’intermédiaire de la conduite de recycle (25), pour réaliser les réactions d’hydroconversion de la charge solide ;
- on sépare une phase gaz d’une phase liquide d’un mélange provenant de la zone de réaction catalytique et envoyé dans les conduits (27) de la coupelle de recycle (30), une partie du liquide ainsi séparé constituant le liquide recyclé envoyé dans l’extrémité inférieure de l’enceinte du réacteur ; et
- on évacue du réacteur au moins le gaz et l’autre partie du liquide séparé présents dans la zone de recycle (39).
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2019
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|---|
| AICHE, SECOND GÉNÉRATION EBULLATED BED TECHNOLOGY, 19 March 1995 (1995-03-19) |
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