WO2021115893A1 - Dispositif et procédé de séparation gaz-solide de craquage catalytique en lit fluidisé avec déflecteur sous fenêtre - Google Patents

Dispositif et procédé de séparation gaz-solide de craquage catalytique en lit fluidisé avec déflecteur sous fenêtre Download PDF

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WO2021115893A1
WO2021115893A1 PCT/EP2020/084353 EP2020084353W WO2021115893A1 WO 2021115893 A1 WO2021115893 A1 WO 2021115893A1 EP 2020084353 W EP2020084353 W EP 2020084353W WO 2021115893 A1 WO2021115893 A1 WO 2021115893A1
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stripping
separation
chamber
gas
wall
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PCT/EP2020/084353
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Ann Cloupet
Yacine HAROUN
Damien Leinekugel Le Cocq
Mathieu MORIN
Ludovic Raynal
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IFP Energies Nouvelles
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    • B01J2208/00991—Disengagement zone in fluidised-bed reactors

Definitions

  • the invention relates to the field of refining and petrochemicals and to methods and devices for the chemical transformation of petroleum products in particular of a crude petroleum by catalytic cracking in a fluidized bed (“fluid catalytic cracking” or FCC according to the English terminology). .
  • An FCC unit is conventionally used in refining to convert a heavy feed, characterized by a starting boiling temperature close to 340 ° C, often greater than 380 ° C, into lighter products that can be used as fuels, in particular gasoline , first product from an FCC unit, characterized by start-of-boiling temperatures close to ambient and by end-boiling temperatures of 160 ° C or even 220 ° C depending on whether we are talking about light gasoline or not.
  • FIG. 1 shows a schematic of a reference FCC unit.
  • a charge 1 sprayed in the form of fine drops is introduced at the bottom of an ascending gas-solid entrained bed reactor 2 (“riser” according to English terminology; hereinafter referred to as central reactor) where it is mixed with a source. of solid catalyst 3 coming from a regenerator 4.
  • the gas / solid mixture is separated in a separation chamber 5 comprising in particular an internal separator 6.
  • a gas is directed towards a second separation stage (cyclone 7) in order to eliminate the fine solid particles present in the gas.
  • Solid particles (ie, coked catalyst) coming from the internal separator 6 are also distributed to a stripping chamber 8, in which the solid particles are brought into contact against the current with a stripping gas in order to release the potential hydrocarbons which have remained adsorbed. on the surface of the coked catalyst.
  • the stripping gas and the desorbed hydrocarbons join the previously separated gas while the coked catalyst is continuously withdrawn at the bottom of the stripping chamber 8.
  • the coked catalyst is then directed to the base of the regenerator 4 where the exothermic combustion of the coke regenerates. and heats the catalyst. Finally, the regenerated and heated catalyst is reinjected at the bottom of the central reactor 2 in order to maintain the catalytic cracking reactions.
  • Patent FR2767715 describes a first separation enclosure for an FCC unit developed by IFP Energys Plant.
  • the internal separator of the separation chamber comprises an envelope 111 containing separation chambers 112 and pre-stripping chambers 113, distributed axially around a top end of a central reactor 114, the chambers separation 112 and the pre-stripping chambers 113 being arranged alternately around the central reactor 114.
  • Each separation chamber 112 has in its upper part an upper inlet opening 115 communicating with the central reactor 114 and disposed between an upper wall 116 and a lower wall 117 of the separation chamber 112.
  • Each separation chamber 112 further comprises two vertical side walls 120 which also form the walls of the pre-stripping chambers 113. At least one of the vertical side walls 120 of each separation chamber 112 has a lateral outlet opening 121 below the chamber. upper inlet opening 115 to send gas and unseparated solid particles into the adjacent pre-stripping chamber 113.
  • Each separation chamber 112 further comprises a lower axial outlet opening 122 of the solid particles to a stripping chamber 123 (“stripper” according to the English terminology) disposed below the internal separator and comprising at least one gas inlet. stripping.
  • each pre-stripping chamber 113 comprises in its lower part a lower inlet opening 124 allowing the ascending stripping gas to enter.
  • the internal separator further comprises an upper discharge duct 125 of the gas connected to the pre-stripping chambers 113 via an upper outlet opening and connected to a stage of cyclones (not shown) arranged above the internal separator, the stripping chamber 123 communicating mainly with the cyclone stage via the pre-stripping chambers 113 and the upper discharge duct 125.
  • Patent FR2894842 describes a second separation enclosure for an FCC unit developed by IFP Energys Plant in which the lower end of each pre-stripping chamber comprises an oblique descending wall fixed to the internal wall of the envelope.
  • Application US20180216012 describes a third separation enclosure similar to the separation enclosures from IFP Energys Department, in which the separation chambers of the internal separator are connected to each other by means of a return leg (“dipleg” according to the terminology Anglo-Saxon) common, the common return leg of said separation chambers comprising downward solid particle baffles to reduce reentraining of the catalyst in the separation chambers.
  • a first object of the present description is to reduce the entrainment of solid particles in the pre-stripping chambers, and thus contribute to increase the efficiency of gas / solid separators in FCC units.
  • a device and a method of separation and stripping capable of deflecting the stripping gas (coming from the stripping chamber) by forcing it to have at least one horizontal movement between the stripping chamber and the pre-stripping chamber , is described below.
  • the present invention relates to a device for separating and stripping a gas mixture and solid particles comprising a plurality of separation chambers and a plurality of pre-stripping chambers distributed alternately around a central reactor, wherein each separation chamber comprises: an outer wall; an upper inlet opening for the gas mixture and the solid particles adapted to communicate with the central reactor; a lower axial outlet opening for the solid particles adapted to communicate with a stripping chamber disposed below the separation chamber; and two substantially vertical side walls which are also the side walls of the pre-stripping chambers, at least one of the side walls of each separation chamber comprising a lateral outlet opening for the gas mixture, communicating with an adjacent pre-stripping chamber, and in which each pre-stripping chamber comprises: a peripheral wall; a lower stripping gas inlet opening adapted to communicate with the stripping chamber; and an upper outlet opening for the gas mixture and the stripping gas adapted to communicate with a second separation stage, the separation and stripping device further comprising a baffle disposed
  • the baffle is adjacent to the lower inlet opening of the pre-stripping chamber.
  • the deflector is positioned directly below the lower inlet opening of the pre-stripping chamber.
  • the deflector comprises a substantially horizontal main body.
  • the main body has an angle b of between 60 ° and 120 ° relative to the central axis of the central reactor.
  • the main body is fixed to the outer wall of the central reactor and / or to at least one of the substantially vertical side walls of the separation chambers.
  • the peripheral wall comprises a conical lower part in the form of an oblique wall descending inwardly, and the main body has the shape of a crown portion, the large radius of which is equal to or greater. at the radius of the inner end of the descending oblique wall.
  • the entry area between the downward sloping wall and the baffle is substantially equal to the entry area of the lower entry opening.
  • the baffle includes a flange extending upwardly and being disposed on the outer end of the main body.
  • the rim extends outwardly and has an angle of between 0 ° and 60 ° with respect to the central axis of the central reactor.
  • the peripheral wall comprises a conical lower part in the form of an oblique wall descending inwardly, and the upper end of the rim is at a height substantially equal to or greater than the height of the rim. internal end of the descending oblique wall.
  • the present invention relates to a separation chamber for a catalytic cracking unit in a fluidized bed comprising the separation and stripping device according to the first aspect.
  • the present invention relates to a fluidized bed catalytic cracking unit comprising the separation and stripping device according to the first aspect or the separation enclosure according to the second aspect.
  • the present invention relates to a process for the separation and stripping of a gas mixture and of solid particles using the separation and stripping device according to the first aspect, the separation enclosure according to the second aspect, or A fluidized bed catalytic cracking unit according to the third aspect, said method comprising deflecting the stripping gas upward between the stripping chamber and the pre-stripping chamber and forcing said stripping gas to have at least one substantially horizontal movement.
  • the ascending stripping gas is deflected by the deflector to force said stripping gas to have at least one substantially horizontal movement.
  • Figure 1 shows a schematic of a reference FCC unit.
  • Figure 2 shows a perspective view of a separation enclosure for a reference FCC unit.
  • Figure 3 shows a vertical section A of separation chambers of a separation and stripping device according to the present invention.
  • Figure 4 shows a vertical section B of pre-stripping chambers of a separation and stripping device according to the present invention.
  • Figure 5 shows a top view of a cross section C of the separation chambers and the pre-stripping chambers of a separation and stripping device according to the present invention.
  • FIG. 6 shows a vertical section of simplified reference stripping and pre-stripping chambers, with a single vertical opening between said chambers.
  • FIG. 7 shows a vertical section of simplified stripping and pre-stripping chambers, with an opening provided with a deflector according to the present invention.
  • Figure 8 shows the 3D CFD simulation estimates of the entrainment of solid particles in the simplified stripping and pre-stripping chambers of Figure 6.
  • Figure 9 shows the 3D CFD simulation estimates of the entrainment of solid particles in the simplified stripping and pre-stripping chambers of Figure 7.
  • the device for separating and stripping a gas mixture and solid particles according to the present invention is applicable to gas / solid separation units, and more particularly to internal separators of separation enclosures for FCC units, using in particular FCC reactors, such as a fluidized bed reactor with ascending gas-solid co-current (“riser” according to English terminology).
  • the separation and stripping device comprises a plurality of separation chambers 12 and a plurality of pre-stripping chambers 13 distributed alternately (eg horizontally) around (eg of the 'high end) of a central reactor 14 (arranged vertically along a central axis Z), of substantially vertical and elongated shape (eg tubular), closed by an upper section, and in which circulate the gas mixture and the solid particles to be separated .
  • the separation and stripping device according to the present invention is an internal separator arranged in the casing 11 of a separation enclosure 10 of an FCC unit.
  • the feed from the central reactor 14 is generally a heavy feed, characterized by a starting boiling temperature close to 340 ° C, often greater than 380 ° C, such as a heavy cut, for example from a distillation unit.
  • under vacuum such as vacuum gas oil ("vacuum gas oil” or "VGO” according to the English terminology), a vacuum residue, a coking gas oil, a recycle from a hydrocracking step, alone or in mixed.
  • the pulverized feed On contact with the hot solid catalyst, the pulverized feed vaporizes and endothermic cracking reactions occur along the central reactor 14, thus reducing the temperature and producing valuable products (eg CC gas 4 ; a gasoline cut; a light diesel cut ("Light Cycle Oil” or LCO according to the Anglo-Saxon terminology); a heavy diesel cut (“Heavy Cycle Oil” or HCO according to the Anglo-Saxon terminology); and an oil in the form of mud (“slurry” according to the terminology Anglo-Saxon)) and a solid residue (coke) adsorbed on the catalyst (hereinafter called solid particles).
  • valuable products eg CC gas 4 ; a gasoline cut; a light diesel cut (“Light Cycle Oil” or LCO according to the Anglo-Saxon terminology); a heavy diesel cut (“Heavy Cycle Oil” or HCO according to the Anglo-Saxon terminology); and an oil in the form of mud (“slurry” according to the terminology Anglo-Saxon)) and a solid residue (coke) adsorbed on the catalyst
  • the operating conditions of the central reactor 14 are as follows: gas surface speed: between 3 and 35 m / s; temperature: between 500 and 700 ° C and preferably less than 650 ° C; pressure: between 0.1 and 0.6 MPaa; contact time less than 1 second; and a mass ratio of the catalyst to the C / O feedstock: between 3 and 50.
  • the chambers of the same type, separation 12 or pre-stripping 13, generally have the same dimension, in particular a horizontal section (eg in the form of a ring quarter) with the same opening angle. relative to the central axis Z of the central reactor 14.
  • the separation 12 and pre-stripping 13 chambers have the same dimension, in particular a horizontal section with the same opening angle with respect to to the central axis Z of the central reactor 14.
  • the separation chambers 12 and / or the pre-stripping chambers 13 have horizontal sections with different opening angles.
  • the number of separation chambers 12 varies between 1 and 8, preferably between 2 and 4.
  • the number of pre-stripping chambers 13 varies between 1 and 8, preferably between 2 and 4.
  • the number of separation chambers 12 and the number of 13 pre-stripping chambers are identical.
  • the separation chambers 12 and the central reactor 14 form a first integral assembly.
  • the pre-stripping chambers 13 are delimited by a peripheral wall and the external wall of the central reactor 14. It should be noted that the casing 11 extends beyond the angular sector corresponding to the separation chambers 12 and pre-stripping 13 of such so that the outer / peripheral walls of the separation 12 and pre-stripping 13 chambers are contained in the outer casing 11.
  • Each separation chamber 12 has in its upper part an upper inlet opening 15 communicating with the central reactor 14 and arranged between an upper wall 16 and a lower wall 17 substantially (eg ⁇ 10 °) horizontal at their junction with the central reactor. 14.
  • the gas stream laden with solid particles from the central reactor 14 passes entirely into the separation chambers 12 via the upper inlet openings 15, because the central reactor 14 has a closed upper section located substantially at or at the level. above the upper part of the upper inlet openings 15, ie, at or above the substantially horizontal upper wall 16.
  • each separation chamber 12 further comprises a centrifugation zone making it possible to separate the solid particles from the gas mixture by means of the upper wall 16 and the lower wall 17, the latter curving towards the bottom to become an outer wall 18 and an inner wall 19 substantially (eg ⁇ 10 °) vertical, respectively, the curvature delimiting the centrifugation zone.
  • the centrifugation zone is defined so as to allow the setting in rotation (see dotted arrows in FIG. 3) in a substantially vertical plane (i.e., vertical section A) of the gas mixture and of the solid particles.
  • the solid particles having a substantially vertical and upward movement at the outlet of the central reactor 14 are found at the outlet of said centrifugation zone with a substantially vertical and downward movement.
  • Each separation chamber 12 comprises (is delimited by) an external wall 18 arranged between the casing 11 and the central reactor 14, an internal wall coinciding with the external wall of the central reactor 14, and two side walls substantially (eg ⁇ 10 ° ) vertical 20 which also form the substantially vertical side walls 20 of the pre-stripping chambers 13.
  • At least one of the substantially vertical side walls 20 of each separation chamber 12 has a lateral outlet opening 21 disposed below the inlet opening upper 15 (eg (directly) below the substantially horizontal lower wall 17 and between the substantially vertical internal wall 19 and the outer wall of the central reactor 14) adapted in particular to distribute the gas mixture and optionally non-separated solid particles to an adjacent pre-stripping chamber 13.
  • the lateral outlet opening 21 extends vertically at least as far as the lower edge of the substantially vertical internal wall 19 of the separation chamber 12, and / or up to a substantially corresponding dimension. (eg ⁇ 10%) at the largest diameter of the substantially vertical outer wall 18 of the separation chamber 12.
  • the lower edge of the lateral outlet opening 21 is preferably located at a level greater than or equal to the lower edge of the wall internal substantially vertical 19.
  • the substantially horizontal upper wall 16 of the separation chamber 12 preferably curves up to a diameter D1 of the outer wall 18, then the substantially vertical outer wall 18 is preferably extended by a vertical and / or conical portion up to a diameter D2 less than or equal to the diameter D1, then possibly further extended by a substantially (eg ⁇ 10 °) vertical end portion called the return leg.
  • the length of the vertical and / or conical portion of the outer wall 18 is greater than or equal to the length of the inner wall 19.
  • Each separation chamber 12 further comprises in its lower part, a lower axial outlet opening 22, for example to send the separated solid particles to a stripping chamber 23 (eg of a separation chamber of an FCC unit) arranged below the separation chamber 12 (and the pre-stripping chamber 13), the solid particles contacting a stripping gas (eg water vapor) against the current in the stripping chamber.
  • a stripping gas eg water vapor
  • the lower end of the substantially vertical outer wall 18, in combination with the outer wall of the central reactor 14 and the lower ends of the vertical side walls 20 define the lower axial outlet opening 22 and allow a substantially axial downward exit of the tubes. solid particles contained in the separation chamber 12.
  • the lower axial outlet opening 22 is located below the lateral outlet opening 21.
  • the stripping chamber 23 comprises means for standardizing the flow of solid particles located in the upper part of said stripping chamber 23, making it possible in particular to promote contact between said solid particles and stripping gas.
  • These means promoting the uniformization of the solid gas flow can be inclined plates arranged in baffles, optionally structured packing or other means of which a non-limiting description can be found in the patents US 2440620, US 2472502, US 2481439 or US 6224833 or in books such as "material and equipment", volume 4 of the encyclopedia the refining of petroleum, of P. Trambouze published by Editions Technip, 1999.
  • each pre-stripping chamber 13 comprises a peripheral wall 25 (i.e. outer wall, for example, of horizontal section in the form of a portion of a circle).
  • the peripheral wall 25 comprises an upper part of spherical or ovoid section 26 extended downwards by a central part of vertical section.
  • the upper part of the peripheral wall 25 does not include an upper part of spherical or ovoid section 26 and comprises (only) an upper part of vertical section (not shown).
  • the vertical central part is extended by a conical lower part in the form of an oblique wall 27 descending inward (i.e., towards the Z axis).
  • the peripheral wall 25 is fixed to the substantially vertical side walls 20.
  • the descending oblique wall 27 has an angle a of between 5 ° and 60 ° with respect to the central axis Z of the central reactor 14.
  • the descending oblique wall 27 has an angle a of between 10 ° and 45 ° with respect to the central axis Z of the central reactor 14.
  • the descending oblique wall 27 has an angle ⁇ of 15 ° (eg ⁇ 3 °) with respect to the central axis Z of the central reactor 14.
  • Each pre-stripping chamber 13 further comprises in its lower part, a lower inlet opening 24 allowing the ascending stripping gas to enter, to communicate in particular with the stripping chamber 23, and being defined for example by the lower end of the strip.
  • descending oblique wall 27 the two substantially vertical side walls 20, and the outer wall of the central reactor 14.
  • the separation and stripping device comprises a baffle 28 for deflecting the upward stripping gas and forcing said gas to have at least one substantially (eg ⁇ 20 °, preferably ⁇ 10 °, preferably ⁇ 5 °) horizontal movement.
  • the deflector 28 makes it possible to reduce the entrainment of the solid towards the pre-stripping chambers 13, and thus contribute to increasing the separation efficiency of the separation enclosure.
  • the deflector 28 is disposed between the stripping chamber 23 and the pre-stripping chamber 13. According to one or more embodiments, the deflector 28 is adjacent to the lower inlet opening 24 of the. pre-stripping chamber 13.
  • the deflector 28 is positioned directly under the lower inlet opening 24 of the pre-stripping chamber 13.
  • the deflector 28 makes it possible to induce the ascending stripping gas from the stripping chamber 23, a substantially horizontal movement before entering the pre-stripping chamber 13 and thus reduce the entrainment of the catalyst particles.
  • the main body has the shape of a crown portion, the small radius of which is equal to or greater than the radius of the outer wall of the central reactor 14.
  • the main body is fixed on the outer wall of the central reactor 14 and / or on at least one of the substantially vertical side walls 20 of the separation chambers 12.
  • the main body has the shape of a crown portion, of which the large radius is equal to or greater than the radius of the inner end of the descending oblique wall 27.
  • the main body has the shape of a crown portion, the large radius of which is at least 1.1 times greater at the radius of the inner end of the descending oblique wall 27.
  • the main body has the shape of a crown portion, the large radius of which is e between 1.2 and 1.5 times, preferably between 1.3 and 1.4 times, the radius of the inner end of the descending oblique wall 27.
  • the entrance surface between the descending oblique wall 27 and baffle 28 is substantially ( ⁇ 10%, preferably ⁇ 5%) equal to the entry area of the lower entry opening 24.
  • the deflector 28 comprises a lining or a perforated plate suitable in particular for deflecting the stripping gas and allowing the descending non-separated solid particles to escape, for example to avoid any accumulation of catalyst on the deflector 28.
  • the deflector 28 comprises a rim 29 extending upwardly and being disposed on the outer end of the main body.
  • the rim makes it possible to force the descending non-separated solid particles to escape mainly through the lining or the perforated plate.
  • the rim 29 extends upwards and outwards.
  • the rim 29 is in the form of a plate having an angle of between 0 ° and 60 °, preferably between 5 ° and 45 °, preferably between 10 ° and 30 °, with respect to the central axis. Z of the central reactor 14.
  • the rim 29 is in the form of a plate having an angle of 15 ° (eg ⁇ 3 °) with respect to the central axis Z of the central reactor 14.
  • the upper end of the rim 29 is at a height substantially (eg ⁇ 10 cm) equal to or greater than the height of the internal end of the descending oblique wall 27.
  • the rim makes it possible to constrain the gas stripping to have at least one downward movement between the deflector 28 and the downward oblique wall 27.
  • the separation and stripping device further comprises an upper discharge duct 30 for the gaseous effluents leaving the pre-stripping chambers 13, for example to send the gaseous effluents (gas mixture and stripping gas) to at least one second separation stage. (eg a cyclone stage) of a separation enclosure of an FCC unit, the stripping chamber 23 communicating with the upper discharge duct 30 via the pre-stripping chambers 13.
  • an upper discharge duct 30 for the gaseous effluents leaving the pre-stripping chambers 13, for example to send the gaseous effluents (gas mixture and stripping gas) to at least one second separation stage. (eg a cyclone stage) of a separation enclosure of an FCC unit, the stripping chamber 23 communicating with the upper discharge duct 30 via the pre-stripping chambers 13.
  • the duct upper evacuation 30 of the gaseous effluents coming from the pre-stripping chambers 13 is located substantially along the axis of the central reactor 14, and is connected on the one hand to said pre-stripping chambers 13 by upper outlet openings 31, and on the other hand to the second separation stage (not shown), making it possible in particular to separate the residual solid particles contained in the gaseous effluents coming from the upper discharge pipe. Erieur 30.
  • each cyclone of the second separation stage comprises an outlet for gaseous effluents, and an outlet for solid particles plunging into the stripping chamber 23.
  • the difference in thermal expansion between, on the one hand the central reactor 14 and the separation chambers 12 forming the first integral assembly, and on the other hand the pre-stripping chambers 13 forming a second assembly is compensated by interstices separating the two sets.
  • the thermal expansion between, on the one hand, the central reactor 14 and the chambers separation 12, and on the other hand the pre-stripping chambers 13 is compensated by an expansion joint.
  • the separation and stripping device is provided so that the sum of the sections of the lateral outlet openings 21 of the separation chambers 12 has substantially (eg ⁇ 10%) the same value. that the sum of the sections of the upper inlet openings 15, and / or that the sum of the sections of the upper outlet openings 31 of the pre-stripping chambers 13 has substantially the same value as the sum of the sections of the upper inlet openings 15.
  • the gas mixture and the solid particles leave the central reactor 14 and enter the separation chamber 12, in which the solid particles are separated and are directed to the stripping chamber 23 and the gas mixture is directed to the pre-stripping chamber 13.
  • the gas mixture is driven to the second separation stage by an ascending stripping gas distributed by the stripping chamber 23.
  • the gas flow entering the second separation stage is separated from residual solid particles which are directed to the stripping chamber 23 by means of return legs.
  • the gas stream is then evacuated to a gaseous effluent outlet.
  • the solid particles are stripped of residual gas in the stripping chamber 23 and are discharged through a stripped catalyst outlet to a regenerator (not shown).
  • the separation and stripping device can operate while complying with the following operating conditions: gas speed at the head of the central reactor 14 from 2 m / s to 35 m / s, preferably from 5 m / s to 35 m / s , preferably from 10 m / s to 25 m / s; gas speed in the upper inlet openings 15 from 2 m / s to 35 m / s, preferably from 5 m / s to 35 m / s, preferably from 10 m / s to 25 m / s; gas speed in the lateral outlet openings 21 from 2 m / s to 35 m / s, preferably from 5 m / s to 35 m / s, preferably from 10 m / s to 25 m / s; gas speed in the lower inlet openings 24 from 0.25 to 5 m / s, preferably from 0.3 m / s to 5 m
  • FIG. 6 and FIG. 7 show a vertical section of the stripping and pre-stripping chambers, of reference with a single vertical opening between said chambers (case n ° 1), and according to the invention with an opening provided with a deflector (case n ° 1).
  • ° 2 representing a simplified configuration of Figures 4 and 5), respectively.
  • Figures 8 and 9 respectively represent the 3D CFD simulation estimates of the entrainment of particles in a fluidized bed reactor with a vertical single fluid outlet as shown in figure 6 (case n ° 1) and a fluid outlet inducing a horizontal movement of the fluid using a deflector as shown in figure 7 (case n ° 2).
  • the entrainment rate corresponds to the particles elutriated out of the reactor.
  • the flow rate value is averaged over a simulation period of 40 s.

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Abstract

Dispositif et un procédé de séparation et de stripage d'un mélange gazeux et de particules solides comprenant une pluralité de chambres de séparation (12) et de préstripage (13) réparties autour d'un réacteur central (14), chaque chambre de préstripage (13) comprenant une paroi périphérique (25), deux parois latérales sensiblement verticales (20) qui sont aussi les parois latérales des chambres de séparation (12), une ouverture d'entrée inférieure (24) de gaz de stripage adaptée pour communiquer avec une chambre de stripage (23), et une ouverture de sortie supérieure (31) du mélange gazeux et du gaz de stripage adaptée pour communiquer avec un second étage de séparation, dans lequel un déflecteur (28) est disposé entre la chambre de stripage (23) et la chambre de préstripage (13) et est adapté pour dévier le gaz de stripage ascendant et contraindre ledit gaz de stripage à avoir au moins un mouvement sensiblement horizontal.

Description

Dispositif et procédé de séparation gaz-solide de craquage catalytique en lit fluidisé avec déflecteur sous fenêtre
Domaine technique
L'invention concerne le domaine du raffinage et de la pétrochimie et des procédés et dispositifs de transformation chimique de produits pétroliers notamment d’un brut pétrolier par craquage catalytique en lit fluidisé (« fluid catalytic cracking » ou FCC selon la terminologie anglo-saxonne).
Technique antérieure
Une unité FCC est classiquement utilisée dans le raffinage pour convertir une charge lourde, caractérisée par une température de début d’ébullition proche de 340°C, souvent supérieure à 380°C, en produits plus légers pouvant être utilisés comme carburants, notamment en essence, premier produit d’une unité FCC, caractérisé par des températures de début d’ébullition proche de l’ambiant et par des températures de fin d’ébullition de 160°C voire 220°C selon que l’on parle d’essence légère ou pas.
La figure 1 présente un schéma d'unité FCC de référence. Une charge 1 pulvérisée sous forme de fines gouttes est introduite au fond d'un réacteur à lit entraîné gaz-solide ascendant 2 (« riser » selon la terminologie anglo-saxonne ; nommé ci-après réacteur central) où elle est mélangée à une source de catalyseur solide 3 provenant d'un régénérateur 4. En tête de réacteur central 2, le mélange gaz/solide est séparé dans une enceinte de séparation 5 comprenant notamment un séparateur interne 6. En sortie du séparateur interne 6, un gaz est dirigé vers un second étage de séparation (cyclone 7) afin d’éliminer les fines particules solides présentes dans le gaz. Des particules solides (i.e., catalyseur coké) issues du séparateur interne 6 sont également distribuées vers une chambre de stripage 8, dans laquelle les particules solides sont mises en contact à contre-courant avec un gaz de stripage afin de libérer les potentiels hydrocarbures restés adsorbés à la surface du catalyseur coké. Le gaz de stripage et les hydrocarbures désorbés rejoignent le gaz précédemment séparé tandis que le catalyseur coké est soutiré en continu en pied de la chambre de stripage 8. Le catalyseur coké est ensuite dirigé vers la base du régénérateur 4 où la combustion exothermique du coke régénère et chauffe le catalyseur. Enfin, le catalyseur régénéré et chauffé est réinjecté en fond de réacteur central 2 afin d’entretenir les réactions de craquage catalytique. Le brevet FR2767715 décrit une première enceinte de séparation d’une unité FCC développée par IFP Energies nouvelles. En référence à la figure 2, le séparateur interne de l’enceinte de séparation comprend une enveloppe 111 contenant des chambres de séparation 112 et des chambres de préstripage 113, reparties axialement autour d’une extrémité haute d’un réacteur central 114, les chambres de séparation 112 et les chambres de préstripage 113 étant disposées de manière alternée autour du réacteur central 114. Chaque chambre de séparation 112 comporte en sa partie supérieure une ouverture d’entrée supérieure 115 communiquant avec le réacteur central 114 et disposée entre une paroi supérieure 116 et une paroi inférieure 117 de la chambre de séparation 112. La paroi supérieure 116 et la paroi inférieure 117 étant sensiblement horizontales à leur jonction avec le réacteur central 114, celles-ci s'incurvent ensuite vers le bas pour devenir une paroi externe 118 et une paroi interne 119 sensiblement verticales, respectivement, la courbure délimitant une zone d’enroulement ou de centrifugation pour la mise en rotation dans un plan vertical du mélange réactionnel gaz-particules. Chaque chambre de séparation 112 comporte en outre deux parois latérales verticales 120 qui forment aussi les parois des chambres de préstripage 113. Au moins une des parois latérales verticales 120 de chaque chambre de séparation 112 comporte une ouverture latérale de sortie 121 en dessous de l’ouverture d’entrée supérieure 115 pour envoyer du gaz et des particules solides non- séparées dans la chambre de préstripage 113 adjacente. Chaque chambre de séparation 112 comporte en outre une ouverture de sortie axiale inférieure 122 des particules solides vers une chambre de stripage 123 (« stripper » selon la terminologie anglo-saxonne) disposée en-dessous du séparateur interne et comprenant au moins une arrivée de gaz de stripage. De même, chaque chambre de préstripage 113 comprend en sa partie inférieure une ouverture d’entrée inférieure 124 laissant entrer le gaz de stripage ascendant. Enfin, le séparateur interne comprend en outre un conduit d’évacuation supérieur 125 du gaz connecté à la chambres de préstripage 113 via une ouverture de sortie supérieure et raccordé à un étage de cyclones (non montré) disposé au-dessus du séparateur interne, la chambre de stripage 123 communiquant principalement avec l’étage de cyclones via les chambres de préstripage 113 et le conduit d’évacuation supérieur 125.
Le brevet FR2894842 décrit une deuxième enceinte de séparation d’une unité FCC développée par IFP Energies nouvelles dans laquelle l’extrémité inférieure de chaque chambre de préstripage comprend une paroi descendante oblique fixée sur la paroi interne de l’enveloppe. La demande US20180216012 décrit une troisième enceinte de séparation similaire aux enceintes de séparation d’IFP Energies nouvelles, dans laquelle les chambres de séparation du séparateur interne sont connectées les unes aux autres au moyen d’une jambe de retour (« dipleg » selon la terminologie anglo-saxonne) commune, la jambe de retour commune desdites chambres de séparation comprenant des déflecteurs à particules solides descendantes pour réduire le réentraînement du catalyseur dans les chambres de séparation.
Résumé de l’invention
Des particules solides non-séparées pouvant être entraînées à partir des séparateurs de l’art antérieur vers l’étage de cyclones, un premier objet de la présente description est de diminuer l’entrainement des particules solides dans les chambres de préstripage, et contribuer ainsi à augmenter l’efficacité des séparateurs gaz/solide des unités FCC. A cette fin, un dispositif et un procédé de séparation et de stripage capable de dévier le gaz de stripage (provenant de la chambre de stripage) en l’obligeant à avoir au moins un mouvement horizontal entre la chambre de stripage et la chambre de préstripage, est décrit ci-après.
Selon un premier aspect, la présente invention concerne un dispositif de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides comprenant une pluralité de chambres de séparation et une pluralité de chambres de préstripage réparties de manière alternée autour d’un réacteur central, dans lequel chaque chambre de séparation comprend : une paroi externe ; une ouverture d’entrée supérieure du mélange gazeux et des particules solides adaptée pour communiquer avec le réacteur central ; une ouverture de sortie axiale inférieure des particules solides adaptée pour communiquer avec une chambre de stripage disposée en dessous de la chambre de séparation ; et deux parois latérales sensiblement verticales qui sont aussi les parois latérales des chambres de préstripage, au moins une des parois latérales de chaque chambre de séparation comportant une ouverture latérale de sortie du mélange gazeux, communiquant avec une chambre de préstripage adjacente, et dans lequel chaque chambre de préstripage comprend : une paroi périphérique ; une ouverture d’entrée inférieure de gaz de stripage adaptée pour communiquer avec la chambre de stripage ; et une ouverture de sortie supérieure du mélange gazeux et du gaz de stripage adaptée pour communiquer avec un second étage de séparation, le dispositif de séparation et de stripage comprenant en outre un déflecteur disposé entre la chambre de stripage et la chambre de préstripage adapté pour dévier le gaz de stripage ascendant et contraindre ledit gaz de stripage à avoir au moins un mouvement sensiblement horizontal.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur est adjacent à l’ouverture d’entrée inférieure de la chambre de préstripage.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur est positionné directement sous l’ouverture d’entrée inférieure de la chambre de préstripage.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur comprend un corps principal sensiblement horizontal.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le corps principal présente un angle b compris entre 60° et 120° par rapport à l’axe central du réacteur central.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le corps principal est fixé sur la paroi externe du réacteur central et/ou sur au moins une des parois latérales sensiblement verticales des chambres de séparation.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi périphérique comprend une partie inférieure conique sous la forme d’une paroi oblique descendant vers l’intérieur, et le corps principal présente une forme de portion de couronne, dont le grand rayon est égal ou supérieur au rayon de l’extrémité interne de la paroi oblique descendante.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la surface d’entrée entre la paroi oblique descendante et le déflecteur est sensiblement égale à la surface d’entrée de l’ouverture d’entrée inférieure.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur comprend un rebord s’étendant vers le haut et étant disposé sur l’extrémité externe du corps principal.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rebord s’étend vers l’extérieur et présente un angle compris entre 0° et 60° par rapport à l’axe central du réacteur central.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi périphérique comprend une partie inférieure conique sous la forme d’une paroi oblique descendant vers l’intérieur, et l’extrémité haute du rebord est à une hauteur sensiblement égale ou supérieure à la hauteur de l’extrémité interne de la paroi oblique descendante.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, au moins une partie du déflecteur comprend un garnissage ou une plaque perforée. Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne une enceinte de séparation d’une unité de craquage catalytique en lit fluidisé comprenant le dispositif de séparation et de stripage selon le premier aspect.
Selon un troisième aspect, la présente invention concerne une unité de craquage catalytique en lit fluidisé comprenant le dispositif de séparation et de stripage selon le premier aspect ou l’enceinte de séparation selon le deuxième aspect.
Selon un quatrième aspect, la présente invention concerne un procédé de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides utilisant le dispositif de séparation et de stripage selon le premier aspect, l’enceinte de séparation selon le deuxième aspect, ou l’unité de craquage catalytique en lit fluidisé selon le troisième aspect, ledit procédé comprenant de dévier le gaz de stripage ascendant entre la chambre de stripage et la chambre de préstripage et contraindre ledit gaz de stripage à avoir au moins un mouvement sensiblement horizontal. Avantageusement, le gaz de stripage ascendant est dévié par le déflecteur pour contraindre ledit gaz de stripage à avoir au moins un mouvement sensiblement horizontal.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention des aspects précités, apparaîtront à la lecture de la description ci-après et d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Liste des figures
La figure 1 montre un schéma d’une unité FCC de référence.
La figure 2 montre une vue en perspective d'une enceinte de séparation d’une unité FCC de référence.
La figure 3 montre une coupe verticale A de chambres de séparation d’un dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention.
La figure 4 montre une coupe verticale B de chambres de préstripage d’un dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention.
La figure 5 montre une vue de dessus d’une coupe transversale C des chambres de séparation et des chambres de préstripage d’un dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention.
La figure 6 montre une coupe verticale de chambres de stripage et de préstripage simplifiées de référence, avec ouverture simple verticale entre lesdites chambres. La figure 7 montre une coupe verticale de chambres de stripage et de préstripage simplifiées, avec ouverture pourvue d’un déflecteur selon la présente invention.
La figure 8 montre les estimations par simulation CFD 3D de l’entrainement de particules solides dans les chambres de stripage et de préstripage simplifiées de la figure 6.
La figure 9 montre les estimations par simulation CFD 3D de l’entrainement de particules solides dans les chambres de stripage et de préstripage simplifiées de la figure 7.
Les flèches en pointillé des figures représentent l’écoulement fluidique (gaz et particules).
Description détaillée de l'invention
Des modes de réalisation du dispositif selon le premier aspect vont maintenant être décrits en détail. Dans la description détaillée suivante, de nombreux détails spécifiques sont exposés afin de fournir une compréhension plus approfondie du dispositif. Cependant, il apparaîtra à l’homme du métier que le dispositif peut être mis en œuvre sans ces détails spécifiques. Dans d’autres cas, des caractéristiques bien connues n’ont pas été décrites en détail pour éviter de compliquer inutilement la description.
Dans ce qui suit, le terme « comprendre » est synonyme de (signifie la même chose que) « inclure » et « contenir », et est inclusif ou ouvert et n’exclut pas d’autres éléments non récités. Il est entendu que le terme « comprendre » inclut le terme exclusif et fermé « consister ».
Le dispositif de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides selon la présente invention est applicable aux unités de séparation gaz/solide, et plus particulièrement aux séparateurs internes des enceintes de séparation des unités FCC, utilisant notamment des réacteurs FCC, tels qu’un réacteur à lit fluidisé à co-courant gaz- solide ascendant (« riser » selon la terminologie anglo-saxonne).
En référence aux figures 3, 4 et 5, le dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention comprend une pluralité de chambres de séparation 12 et une pluralité de chambres de préstripage 13 réparties de manière alternée (e.g. horizontalement) autour (e.g. de l’extrémité haute) d’un réacteur central 14 (disposé verticalement selon une axe central Z), de forme (e.g. tubulaire) sensiblement verticale et allongée, fermé par une section supérieure, et dans lequel circulent le mélange gazeux et les particules solides à séparer. Selon un ou plusieurs modes de réalisations, le dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention est un séparateur interne disposé dans l’enveloppe 11 d’une enceinte de séparation 10 d’une unité FCC.
La charge du réacteur central 14 est généralement une charge lourde, caractérisée par une température de début d’ébullition proche de 340°C, souvent supérieure à 380°C, telle qu’une coupe lourde, par exemple issue d’une unité de distillation sous vide, telle que du gazole sous vide (« vacuum gas oil » ou « VGO » selon la terminologie anglo-saxonne), un résidu sous vide, un gasoil de cokéfaction, un recycle d’une étape d’hydrocraquage, seuls ou en mélange. Au contact du catalyseur solide chaud, la charge pulvérisée se vaporise et des réactions endothermiques de craquage se produisent le long du réacteur central 14 diminuant ainsi la température et produisant des produits valorisables (e.g. du gaz C C4 ; une coupe essence ; une coupe gasoil léger (« Light Cycle Oil » ou LCO selon la terminologie anglo-saxonne) ; une coupe gasoil lourd (« Heavy Cycle Oil » ou HCO selon la terminologie anglo-saxonne) ; et une huile en forme de boue (« slurry » selon la terminologie anglo-saxonne)) et un résidu solide (coke) adsorbé sur le catalyseur (nommé ci-après particules solides). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les conditions opératoires du réacteur central 14 sont les suivantes : vitesse superficielle gaz : entre 3 et 35 m/s ; température : entre 500 et 700°C et de préférence inférieure à 650°C ; pression : entre 0,1 et 0,6 MPaa ; temps de contact inférieur à 1 seconde ; et un rapport massique du catalyseur sur la charge C/O : entre 3 et 50.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les chambres d'un même type, séparation 12 ou préstripage 13, ont généralement la même dimension, en particulier une section horizontale (e.g. en forme de quartier d’anneau) avec le même angle d'ouverture par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les chambres de séparation 12 et de préstripage 13, ont la même dimension, en particulier une section horizontale avec le même angle d'ouverture par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les chambres de séparation 12 et/ou les chambres de préstripage 13 présentent des sections horizontales avec des angles d'ouverture différents. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, il existe une symétrie axiale des chambres autour de l'axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le nombre de chambres de séparation 12 varie entre 1 et 8, préférentiellement entre 2 et 4. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le nombre de chambres de préstripage 13 varie entre 1 et 8, préférentiellement entre 2 et 4. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le nombre de chambres de séparation 12 et le nombre de chambres de préstripage 13 sont identiques. Les chambres de séparation 12 et le réacteur central 14 forment un premier ensemble solidaire. Les chambres de préstripage 13 sont délimitées par une paroi périphérique et la paroi externe du réacteur central 14. Il est à noter que l’enveloppe 11 s'étend au-delà du secteur angulaire correspondant aux chambres de séparation 12 et de préstripage 13 de telle sorte que les parois externes/périphériques des chambres de séparation 12 et de préstripage 13 soient contenues dans l'enveloppe externe 11.
Chaque chambre de séparation 12 comporte en sa partie supérieure une ouverture d’entrée supérieure 15 communiquant avec le réacteur central 14 et disposée entre une paroi supérieure 16 et une paroi inférieure 17 sensiblement (e.g. ± 10°) horizontales à leur jonction avec le réacteur central 14. Le flux gazeux chargé en particules solides issu du réacteur central 14 passe intégralement dans les chambres de séparation 12 par l'intermédiaire des ouvertures d’entrée supérieures 15, car le réacteur central 14 présente une section supérieure fermée située sensiblement au niveau ou au-dessus de la partie supérieure des ouvertures d’entrée supérieures 15, i.e., au niveau ou au-dessus de la paroi supérieure 16 sensiblement horizontale.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, chaque chambre de séparation 12 comprend en outre une zone de centrifugation permettant de séparer les particules solides du mélange gazeux au moyen de la paroi supérieure 16 et de la paroi inférieure 17, celles-ci s'incurvant vers le bas pour devenir une paroi externe 18 et une paroi interne 19 sensiblement (e.g. ± 10°) verticales, respectivement, la courbure délimitant la zone de centrifugation. La zone de centrifugation est définie de manière à permettre la mise en rotation (voir flèches en pointillé de la figure 3) dans un plan sensiblement vertical (i.e., coupe verticale A) du mélange gazeux et des particules solides. Les particules solides ayant un mouvement sensiblement vertical et ascendant en sortie du réacteur central 14 se retrouvent en sortie de ladite zone de centrifugation avec un mouvement sensiblement vertical et descendant.
Chaque chambre de séparation 12 comporte (est délimitée par) une paroi externe 18 disposée entre l’enveloppe 11 et le réacteur central 14, une paroi interne confondue avec la paroi externe du réacteur central 14, et deux parois latérales sensiblement (e.g. ± 10°) verticales 20 qui forment aussi les parois latérales sensiblement verticales 20 des chambres de préstripage 13. Au moins une des parois latérales sensiblement verticales 20 de chaque chambre de séparation 12 comporte une ouverture latérale de sortie 21 disposée en dessous de l’ouverture d’entrée supérieure 15 (e.g. (directement) en dessous de la paroi inférieure 17 sensiblement horizontale et entre la paroi interne 19 sensiblement verticale et la paroi externe du réacteur central 14) adaptée notamment pour distribuer le mélange gazeux et éventuellement des particules solides non-séparées vers une chambre de préstripage 13 adjacente. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’ouverture latérale de sortie 21 s'étend verticalement au moins jusqu’au bord inférieur de la paroi interne sensiblement verticale 19 de la chambre de séparation 12, et/ou jusqu'à une cote correspondant sensiblement (e.g. ± 10%) au plus grand diamètre de la paroi externe sensiblement verticales 18 de la chambre de séparation 12. Le bord inférieur de l’ouverture latérale de sortie 21 se situe préférentiellement à un niveau supérieur ou égal au bord inférieur de la paroi interne sensiblement verticale 19.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi supérieure sensiblement horizontale 16 de la chambre de séparation 12 s'incurve de préférence jusqu'à un diamètre D1 de la paroi externe 18, puis la paroi externe sensiblement verticale 18 se prolonge de préférence par une portion verticale et/ou conique jusqu’à un diamètre D2 inférieur ou égal au diamètre D1, puis se prolonge éventuellement encore par une portion d’extrémité sensiblement (e.g. ± 10°) verticale appelée jambe de retour. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la longueur de la portion verticale et/ou conique de la paroi externe 18 est supérieure ou égale à la longueur de la paroi interne 19.
Chaque chambre de séparation 12 comporte en outre dans sa partie inférieure, une ouverture de sortie axiale inférieure 22, par exemple pour envoyer les particules solides séparées vers une chambre de stripage 23 (e.g. d’une enceinte de séparation d’une unité FCC) disposée en dessous de la chambre de séparation 12 (et de la chambre de préstripage 13), les particules solides contactant un gaz de stripage (e.g. vapeur d’eau) à contre-courant dans la chambre de stripage. Spécifiquement, l’extrémité inférieure de la paroi externe sensiblement verticale 18, en combinaison avec la paroi externe du réacteur central 14 et les extrémités inférieures des parois latérales verticales 20 délimitent l’ouverture de sortie axiale inférieure 22 et permettent une sortie sensiblement axiale descendante des particules solides contenues dans la chambre de séparation 12. Ainsi, l’ouverture de sortie axiale inférieure 22 est située en dessous de l’ouverture latérale de sortie 21.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la chambre de stripage 23, comprend des moyens d’uniformisation de l’écoulement des particules solides situés dans la partie supérieure de ladite chambre de stripage 23, permettant notamment de favoriser le contact entre lesdites particules solides et le gaz de stripage. Ces moyens favorisant l'uniformisation de l'écoulement gaz solide peuvent être des plaques inclinées disposées en chicanes, des garnissages (« packing » selon la terminologie anglo-saxonne) optionnellement structurés ou d'autres moyens dont une description non limitante peut être trouvée dans les brevets US 2440620, US 2472502, US 2481439 ou US 6224833 ou dans des livres tels que "matériel et équipement", tome 4 de l'encyclopédie le raffinage du pétrole, de P. Trambouze édité aux éditions Technip, 1999.
En référence aux figures 4 et 5, chaque chambre de préstripage 13 comprend une paroi périphérique 25 (i.e. paroi externe, par exemple, de section horizontale en forme de portion de cercle). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi périphérique 25 comprend une partie supérieure de section sphérique ou ovoïde 26 prolongée vers le bas par une partie centrale de section verticale. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la partie supérieure de la paroi périphérique 25 ne comprend pas de partie supérieure de section sphérique ou ovoïde 26 et comprend (uniquement) une partie supérieure de section verticale (non montrée). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la partie centrale verticale est prolongée par une partie inférieure conique sous la forme d’une paroi oblique 27 descendant vers l’intérieur (i.e., vers l’axe Z). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi périphérique 25 est fixée aux parois latérales sensiblement verticales 20. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi oblique descendante 27 présente un angle a compris entre 5° et 60° par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi oblique descendante 27 présente un angle a compris entre 10° et 45° par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi oblique descendante 27 présente un angle a de 15° (e.g. ± 3°) par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14.
Chaque chambre de préstripage 13 comporte en outre dans sa partie inférieure, une ouverture d’entrée inférieure 24 laissant entrer le gaz de stripage ascendant, pour communiquer notamment avec la chambre de stripage 23, et étant définie par exemple par l’extrémité inférieure de la paroi oblique descendante 27, les deux parois latérales sensiblement verticales 20, et la paroi externe du réacteur central 14.
Le dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention comprend un déflecteur 28 pour dévier le gaz de stripage ascendant et contraindre ledit gaz à avoir au moins un mouvement sensiblement (e.g. ± 20°, préférablement ± 10°, préférablement ± 5°) horizontal. Avantageusement, le déflecteur 28 permet de diminuer l’entrainement du solide vers les chambres de préstripage 13, et contribuer ainsi à augmenter l’efficacité de séparation de l’enceinte de séparation. En référence aux figures 4 et 5, le déflecteur 28 est disposé entre la chambre de stripage 23 et la chambre de préstripage 13. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur 28 est adjacent à l’ouverture d’entrée inférieure 24 de la chambre de préstripage 13. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur 28 est positionné directement sous l’ouverture d’entrée inférieure 24 de la chambre de préstripage 13. Avantageusement, le déflecteur 28 permet d’induire, au gaz de stripage ascendant issu de la chambre de stripage 23, un mouvement sensiblement horizontal avant de pénétrer dans la chambre de préstripage 13 et ainsi diminuer l’entrainement des particules de catalyseur.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur 28 comprend un corps principal sensiblement horizontal. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur 28 comprend une plaque sensiblement plane. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le corps principal présente un angle b compris entre 60° et 120°, préférablement entre 70° et 110°, préférablement entre 80° et 100° (e.g. 90° ± 3°), par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le corps principal présente une forme de portion de couronne, dont le petit rayon est égal ou supérieur au rayon de la paroi externe du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le corps principal est fixé sur la paroi externe du réacteur central 14 et/ou sur au moins une des parois latérales sensiblement verticales 20 des chambres de séparation 12. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le corps principal présente une forme de portion de couronne, dont le grand rayon est égal ou supérieur au rayon de l’extrémité interne de la paroi oblique descendante 27. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le corps principal présente une forme de portion de couronne, dont le grand rayon est au moins 1,1 fois supérieur au rayon de l’extrémité interne de la paroi oblique descendante 27. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le corps principal présente une forme de portion de couronne, dont le grand rayon est compris entre 1,2 et 1,5 fois, préférablement entre 1,3 et 1,4 fois, le rayon de l’extrémité interne de la paroi oblique descendante 27. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la surface d’entrée entre la paroi oblique descendante 27 et le déflecteur 28 est sensiblement (± 10%, préférablement ± 5%) égale à la surface d’entrée de l’ouverture d’entrée inférieure 24.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, au moins une partie du déflecteur 28 comprend un garnissage ou une plaque perforée adaptés notamment pour dévier le gaz de stripage et laisser s’évacuer les particules solides non-séparées descendantes, pour éviter par exemple toute accumulation de catalyseur sur le déflecteur 28. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur 28 comprend un rebord 29 s’étendant vers le haut et étant disposé sur l’extrémité externe du corps principal. Avantageusement, le rebord permet de contraindre les particules solides non-séparées descendantes à s’évacuer principalement par le garnissage ou la plaque perforée. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rebord 29 s’étend vers le haut et vers l’extérieur. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rebord 29 est en forme de plaque présentant un angle compris entre 0° et 60°, préférablement entre 5° et 45°, préférablement entre 10° et 30°, par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rebord 29 est en forme de plaque présentant un angle de 15° (e.g. ± 3°) par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’extrémité haute du rebord 29 est à une hauteur sensiblement (e.g. ± 10 cm) égale ou supérieure à la hauteur de l’extrémité interne de la paroi oblique descendante 27. Avantageusement, le rebord permet de contraindre le gaz de stripage ascendant à avoir au moins un mouvement descendant entre le déflecteur 28 et la paroi oblique descendante 27.
Le dispositif de séparation et de stripage comprend en outre un conduit d’évacuation supérieur 30 des effluents gazeux sortant des chambres de préstripage 13, par exemple pour envoyer les effluents gazeux (mélange gazeux et gaz de stripage) vers au moins un second étage de séparation (e.g. un étage de cyclones) d’une enceinte de séparation d’une unité FCC, la chambre de stripage 23 communiquant avec le conduit d’évacuation supérieur 30 via les chambres de préstripage 13. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le conduit d’évacuation supérieur 30 des effluents gazeux en provenance des chambres de préstripage 13 est situé sensiblement le long de l'axe du réacteur central 14, et est connecté d'une part aux dites chambres de préstripage 13 par des ouvertures de sortie supérieures 31, et d’autre part au second étage de séparation (non montré), permettant notamment de séparer les particules solides résiduelles contenues dans les effluents gazeux en provenance du conduit d’évacuation supérieur 30. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, chaque cyclone du second étage de séparation comprend une sortie d’effluents gazeux, et une sortie de particules solides plongeant dans la chambre de stripage 23.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la différence de dilatation thermique entre, d'une part le réacteur central 14 et les chambres de séparation 12 formant le premier ensemble solidaire, et d'autre part les chambres de préstripage 13 formant un second ensemble, est compensée par des interstices séparant les deux ensembles. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la dilatation thermique entre, d'une part le réacteur central 14 et les chambres de séparation 12, et d'autre part les chambres de préstripage 13 est compensée par un joint de dilatation.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention est pourvu de sorte que la somme des sections des ouvertures latérales de sortie 21 des chambres de séparation 12 ait sensiblement (e.g. ± 10%) la même valeur que la somme des sections des ouvertures d’entrée supérieures 15, et/ou que la somme des sections des ouvertures de sortie supérieures 31 des chambres de préstripage 13 ait sensiblement la même valeur que la somme des sections des ouvertures d’entrée supérieures 15.
En fonctionnement, selon un ou plusieurs modes de réalisation, le mélange gazeux et les particules solides sortent du réacteur central 14 et entrent dans la chambre de séparation 12, dans laquelle les particules solides sont séparées et sont dirigées vers la chambre de stripage 23 et le mélange gazeux est dirigé vers la chambre de préstripage 13. Dans la chambre de préstripage 13, le mélange gazeux est entraîné vers le second étage de séparation par un gaz de stripage ascendant distribué par la chambre de stripage 23. Le flux gazeux entrant dans le second étage de séparation est séparé de particules solides résiduelles qui sont dirigées vers la chambre de stripage 23 au moyen de jambes de retour. Le flux gazeux est ensuite évacué vers une sortie d'effluents gazeux. Enfin, les particules solides sont strippées de gaz résiduel dans la chambre de stripage 23 et sont évacuées par une sortie de catalyseur strippé vers un régénérateur (non montré).
Le dispositif de séparation et de stripage selon l'invention peut fonctionner en respectant les conditions opératoires suivantes : vitesse gaz en tête de réacteur central 14 de 2 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 5 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 10 m/s à 25 m/s ; vitesse gaz dans les ouvertures d’entrée supérieures 15 de 2 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 5 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 10 m/s à 25 m/s ; vitesse gaz dans les ouvertures latérales de sortie 21 de 2 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 5 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 10 m/s à 25 m/s ; vitesse gaz dans les ouvertures d’entrée inférieures 24 de 0,25 à 5 m/s, préférentiellement de 0,3 m/s à 5 m/s, préférentiellement de 1 m/s à 4 m/s ; et flux de catalyseur dans l’ouverture de sortie axiale inférieure 22 compris entre 10 et 300 kg/(m2.s), préférentiellement de 50 à 200 kg/(m2.s), avec par exemple des particules solides caractérisées par une masse volumique de grain comprise entre 1000 et 2000 kg/m3, et un diamètre moyen dit de "Sauter" compris entre 40 et 100 microns.
Exemple
La figure 6 et la figure 7 montrent une coupe verticale de chambres de stripage et de préstripage, de référence avec ouverture simple verticale entre lesdites chambres (cas n°1), et selon l’invention avec ouverture pourvue d’un déflecteur (cas n°2 : représentant une configuration simplifiée des figures 4 et 5), respectivement.
Les figures 8 et 9 représentent respectivement les estimations par simulation CFD 3D de l’entrainement de particules dans un réacteur à lit fluidisé avec une sortie de fluide simple verticale telle que représentée dans la figure 6 (cas n°1) et une sortie de fluide induisant un mouvement horizontal du fluide à l’aide d’un déflecteur telle que représentée dans la figure 7 (cas n°2).
Les simulations numériques sont réalisées avec le logiciel CPFD Barracuda®. Les données géométriques de la simulation et les conditions opératoires et limites sont indiquées ci- dessous : simulation à température ambiante et pression atmosphérique en présence d’air, diamètre du réacteur Dr = 0,3 m, diamètre de sortie Ds = 0,106 m, hauteur totale du réacteur Htot = 1 m, hauteur de sortie Hs = 0,25 m, hauteur du lit Hbed = 0,3 m pour une quantité initiale de solide de 17,4 kg, condition d’entrée : vitesse du gaz de 0,25 m/s, condition de sortie : pression atmosphérique, surface définie afin d’avoir une vitesse du gaz en sortie de 2 m/s, dans cet exemple de cas n°2, la surface de l’espace annulaire est supérieure à la surface de sortie (la surface de l’espace annulaire peut être inférieure ou égale à la surface de sortie).
Le débit d’entrainement correspond aux particules élutriées hors du réacteur. La valeur du débit est moyennée sur une durée de simulation de 40 s.
Estimation par CFD du débit d’entrainement moyen : cas n°1 : 12,9 kg/h ; cas n°2 : 4,19 kg/h. Par conséquent, la présente invention permet de diviser par 3 l’entrainement solide provenant de la chambre de stripage et se dirigeant vers la chambre de préstripage.

Claims

Revendications
1. Dispositif de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides comprenant une pluralité de chambres de séparation (12) et une pluralité de chambres de préstripage (13) réparties de manière alternée autour d’un réacteur central (14), dans lequel chaque chambre de séparation (12) comprend :
- une paroi externe (18) ;
- une ouverture d’entrée supérieure (15) du mélange gazeux et des particules solides adaptée pour communiquer avec le réacteur central (14) ;
- une ouverture de sortie axiale inférieure (22) des particules solides adaptée pour communiquer avec une chambre de stripage (23) disposée en dessous de la chambre de séparation (12) ; et
- deux parois latérales sensiblement verticales (20) qui sont aussi les parois latérales des chambres de préstripage (13), au moins une des parois latérales (20) de chaque chambre de séparation (12) comportant une ouverture latérale de sortie (21) du mélange gazeux, communiquant avec une chambre de préstripage adjacente (13), et dans lequel chaque chambre de préstripage (13) comprend :
- une paroi périphérique (25) ;
- une ouverture d’entrée inférieure (24) de gaz de stripage adaptée pour communiquer avec la chambre de stripage (23) ; et
- une ouverture de sortie supérieure (31) du mélange gazeux et du gaz de stripage adaptée pour communiquer avec un second étage de séparation, le dispositif de séparation et de stripage comprenant en outre un déflecteur (28) disposé entre la chambre de stripage (23) et la chambre de préstripage (13) adapté pour dévier le gaz de stripage ascendant et contraindre ledit gaz de stripage à avoir au moins un mouvement sensiblement horizontal.
2. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 1 , dans lequel le déflecteur (28) est adjacent à l’ouverture d’entrée inférieure (24) de la chambre de préstripage (13).
3. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le déflecteur (28) est positionné directement sous l’ouverture d’entrée inférieure (24) de la chambre de préstripage (13).
4. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le déflecteur (28) comprend un corps principal sensiblement horizontal.
5. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 4, dans lequel le corps principal présente un angle b compris entre 60° et 120° par rapport à l’axe central (Z) du réacteur central (14).
6. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 4 ou la revendication 5, dans lequel le corps principal est fixé sur la paroi externe du réacteur central (14) et/ou sur au moins une des parois latérales sensiblement verticales (20) des chambres de séparation (12).
7. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel la paroi périphérique (25) comprend une partie inférieure conique sous la forme d’une paroi oblique (27) descendant vers l’intérieur, et dans lequel le corps principal présente une forme de portion de couronne, dont le grand rayon est égal ou supérieur au rayon de l’extrémité interne de la paroi oblique descendante (27).
8. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 7, dans lequel la surface d’entrée entre la paroi oblique descendante (27) et le déflecteur (28) est sensiblement égale à la surface d’entrée de l’ouverture d’entrée inférieure (24).
9. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications 4 à 8, dans lequel le déflecteur (28) comprend un rebord (29) s’étendant vers le haut et étant disposé sur l’extrémité externe du corps principal.
10. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 9, dans lequel le rebord (29) s’étend vers l’extérieur et présente un angle compris entre 0° et 60° par rapport à l’axe central (Z) du réacteur central (14).
11. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 9 ou la revendication 10, dans lequel la paroi périphérique (25) comprend une partie inférieure conique sous la forme d’une paroi oblique (27) descendant vers l’intérieur, et dans lequel l’extrémité haute du rebord (29) est à une hauteur sensiblement égale ou supérieure à la hauteur de l’extrémité interne de la paroi oblique descendante (27).
12. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une partie du déflecteur (28) comprend un garnissage ou une plaque perforée.
13. Enceinte de séparation d’une unité de craquage catalytique en lit fluidisé comprenant le dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes.
14. Unité de craquage catalytique en lit fluidisé comprenant le dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications 1 à 12 ou l’enceinte de séparation selon la revendication 13.
15. Procédé de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides utilisant le dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, l’enceinte de séparation selon la revendication 13, ou l’unité de craquage catalytique en lit fluidisé selon la revendication 14, ledit procédé comprenant de dévier le gaz de stripage ascendant entre la chambre de stripage (23) et la chambre de préstripage (13) et contraindre ledit gaz de stripage à avoir au moins un mouvement sensiblement horizontal.
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