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Perfectionnements apportés aux procédés et aux
dispositifs de viscoréduction de charges lourdes
d'hydrocarbures.
La présente invention concerne des perfectionnements
apportés aux procédés et aux dispositifs de viscoréduction
de charges lourdes d'hydrocarbures.
On sait que l'on désigne par viscoréduction un
traitement de charges hydrocarbonées lourdes, consistant à
amener ces charges à l'état liquide dans un four à une
température de craquage des hydrocarbures les plus lourds et
à les introduire ensuite dans un maturateur, dans lequel,
sans autre chauffage, elles se déplacent à une vitesse telle
qu'à la température considérée elles aient un temps de
séjour suffisant pour obtenir le craquage désiré des
molécules lourdes en molécules plus légères. Le craquage a
pour effet une réduction de la viscosité de la charge
traitée, d'où les termes de viscoréduction, pour le procédé
mis en oeuvre, et de viscoréducteur, pour l'appareillage
utilisé.
Le maturateur se présente habituellement sous la forme
d'une enceinte cylindrique, qui ne comporte pas de moyen de
chauffage additionnel de la charge et, le craquage étant
endothermique, la température de la charge baisse de
quelques dizaines de degrés entre son entrée dans le
maturateur et sa sortie. La température y est généralement
de l'ordre de 400 à 500 C et la pression d'environ 2 à
30.105 Pascals. Le temps de séjour de la charge dans le
maturateur est d'environ 10 à 30 minutes. La sévérité,
fonction du temps de séjour et de la température du
maturateur, est de l'ordre de 20 minutes.
La charge traitée est injectée à la base du maturateur,
tandis que les produits de craquage, y compris les produits
gazeux éventuellement formês, sont évacués à la partie
supérieure en direction d'un ensemble de fractionnement par
distillation atmosphérique, puis par distillation sous vide.
La charge traitée peut être du pétrole brut lourd, un
résidu de distillation atmosphérique, ce qui est peu
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fréquent, car il existe d'autres types de valorisation, un
résidu de distillation sous vide ou un brai de
désasphaltage.
Les produits résultant de la viscoréduction sont, après
fractionnement, des hydrocarbures gazeux et du gaz de
pétrole liquéfié, de l'essence, du gazole, du distillat et
le résidu sous vide de viscoréduction.
Le résidu sous vide de viscoréduction est le dernier
produit récupérable et il doit répondre à des exigences
sévères de stabilité et de compatibilité avec d'autres
coupes pétrolières pour pouvoir être utilisé comme base de
fioul, ce qui amène l'opérateur à ajuster les conditions de
mise en oeuvre de la viscoréduction, notamment la
température, de manière à respecter les critères imposés.
Un problème majeur rencontré dans les unités de
viscoréduction réside dans une progression non homogène de
la charge à l'intérieur du maturateur, des effets de
rétromélange (en anglais, "back mixi.ng") et de tourbillons
se rencontrant notamment au voisinage des parois latérales
du maturateur, notamment au fond de celui-ci. Ces
perturbations sont encore accrues par les gaz qui se forment
au cours des réactions de craquage, et le temps de séjour de
la charge dans le maturateur varie considérablement, suivant
les zones considérées, dans une même section transversale.
Il en résulte qu'une partie de la charge traitée risque de
subir un surcraquage, tandis qu'une autre fraction sera
insuffisamment craquée.
Pour remédier à cet inconvénient, il a été proposé, dans
EP-A-007 656, de disposer à l'intérieur du maturateur,
transversalement à la direction d'écoulement de la charge à
convertir, une pluralité d'internes constitués de plateaux
perforés, les ouvertures ménagées dans les plateaux pouvant
être circulaires et/ou avoir la forme de fentes, les
ouvertures représentant de préférence entre 1 et 30 % de la
surface des plateaux.
Chaque plateau produit ainsi, au niveau des orifices
qu'il comprend et qu'empruntent les bulles des gaz présents,
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un effet de mélange de la charge, et la demande de brevet
européen précitée préconise l'utilisation de 1 à 20 plateaux
de ce type dans le maturateur.
Comme il est indiqué dans EP-A-0 138 247, la stabilité
des produits de craquage se révèle toutefois insuffisante,
lorsque l'on utilise des plateaux perforés de ce type, en
particulier lorsque se forment de grandes quantités de
composés gazeux, et des quantités importantes de coke
apparaissent, à l'usage, avec des risques sérieux
d'obturation des perforations des plateaux. Il en résulte
des périodes d'arrêt longues et coûteuses du maturateur,
pour nettoyer les plateaux perforés et éliminer le coke
présent.
Le document FR-A-2 528 444 propose un procédé de
craquage thermique d'huiles d'hydrocarbures dans lequel un
fluide, tel que de la vapeur d'eau, peut être introduit
tangentiellement dans la partie inférieure du maturateur
(cf. page 6, lignes 8 à 17) à travers des buses. Cette
introduction a pour but d'entraîner en rotation la charge
d'hydrocarbures.
Toutefois, l'entraînement en rotation de la charge
nécessite des débits de vapeur très élevés, ce qui implique
une limitation de la place disponible pour la charge dans le
maturateur et donc une diminution de son temps de séjour qui
est préjudiciable à la viscoréduction.
La présente invention vise à éviter ces inconvénients en
proposant des moyens propres à assurer un temps de séjour
plus homogène de la charge dans le maturateur et une
meilleure stabilité du résidu viscoréduit.
L'invention vise également à limiter les phénomènes de
rétromélange associés au traitement d'une charge
d'hydrocarbures lourds dans le maturateur d'un ensemble de
viscoréduction.
L'invention vise enfin à réduire la formation de coke
dans les procédés et dispositifs de viscoréduction.
La Demanderesse a, en effet, établi qu'en injectant un
gaz tel que de la vapeur d'eau ou de l'azote dans le
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maturateur, à co-courant, au moins à proximité du fond et
des parois latérales de celui-ci, on obtient simultanément
une meilleure conversion de la charge, et par conséquent une
réduction importante du coke formé, et une meilleure
stabilité du résidu sous vide de viscoréduction.
L'invention a par conséquent pour objet un procédé de
viscoréduction d'une charge lourde d'hydrocarbures à l'état
liquide, dans lequel cette charge est amenée à une
température propre à provoquer le craquage d'au moins une
partie des hydrocarbures présents, puis est introduite à la
partie inférieure d'un maturateur dans lequel elle se
déplace de bas en haut, pour être évacuée à la partie
supérieure de ce maturateur en direction d'une unité de
fractionnement, et dans lequel un gaz, de préférence inerte,
est injecté à l'intérieur du maturateur dans la charge
d'hydrocarbures, au moins à la base du maturateur, au
voisinage de ses parois latérales. Ce procédé se caractérise
en ce que le gaz est injecté vers le haut le long des parois
latérales du maturateur et circule de bas en haut le long
desdites parois, à co-courant de la charge d'hydrocarbures.
Le gaz (vapeur d'eau, azote, hydrogène, gaz de
raffinerie ou autre), en se déplaçant de bas en haut au
voisinage des parois du maturateur, limite ainsi la
formation de zones mortes et de rétromélanges au niveau du
fond et des parois latérales, et le temps de séjour des
différentes filets de fluide d'hydrocarbures à l'intérieur
du maturateur aura tendance à s'homogénéiser et à se
rapprocher du temps de séjour moyen de la charge.
En outre, le gaz produit un effet de strippage des
produits de la charge, ce qui facilite la séparation des
produits légers (gaz de pétrole liquéfié, essence, gazole,
etc...), obtenus par conversion dans le maturateur.
Outre l'injection prévue à la base du maturateur, au
voisinage des parois latérales, d'autres injections pourront
être prévues, toujours au voisinage des parois latérales, à
différènts niveaux dans le maturateur, pour minimiser encore
davantage les rétromélanges et la production de coke.
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L'injection du gaz, selon l'invention, vers le haut et
au voisinage des parois du maturateur ne requiert qu'un
faible débit de gaz, ce qui permet notamment d'éviter les
inconvénients rencontrés lors de la mise en oeuvre du
5 procédé du document FR-A-2 528 444 mentionné précédemment.
Pour un débit de charge compris entre 75 et 200 t/h, le
débit du gaz injecté sera avantageusement compris entre
0,2 et 3 t/h et, de préférence, entre 0,5 et 2 t/h .
De préférence, le gaz, surchauffé et à une pression
supérieure à celle du maturateur, sera injecté annulairement
aux différents niveaux d'injection, mais le gaz pourra aussi
être introduit dans la canalisation d'alimentati.on du
maturateur en charge à craquer, en amont du maturateur.
L'invention a également pour objet un dispositif de
viscoréduction d'une charge lourde d'hydrocarbures à l'état
liquide, du type comprenant un moyen de chauffage de la
charge jusqu'à une température propre à provoquer le
craquage d'au moins une partie des hydrocarbures, et un
maturateur comprenant, à sa partie inférieure, au moins une
ligne d'alimentation en charge préchauffée et, à sa partie
supérieure, au moins une ligne d'évacuation de la charge
traitée vers une unité de fractionnement de cette charge, ce
dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte un moyen
d'injection d'un gaz, de préférence inerte, dans la charge
d'hydrocarbures à traiter, le moyen d'injection étant
disposé en un emplacement tel que le gaz injecté se déplace
à co-courant de la charge, à l'intérieur du maturateur, au
moins à la base de celui-ci, au voisinage de la face interne
de ses parois latérales.
Le moyen d'injection de gaz pourra comprendre des buses
d'injection régulièrement réparties, connectées à une source
de gaz sous pression et disposées annulairement, soit
suivant la partie inférieure de la face interne des parois
du maturateur, soit suivant le fond de celui-ci.
Ce moyen d'injection pourra aussi comprendre un conduit
de forme sensiblement torique, connecté à une source de gaz
sous pression et équipé d'orifices régulièrement répartis
CA 02191913 2006-07-20
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d'évacuation du gaz, ce conduit étant disposé au voisinage
du fond du maturateur, coaxialement à celui-ci_
Le moyen d'injection pourra également comprendre une
ligne d'introduction de ce gaz dans la charge lourde
d'hydrocarbures en aval du moyen de chauffage de la charge
et en amont du maturateur, dans le sens de circulation de la
charge.
Plusieurs moyens d'injection du gaz dans la charge
d'hydrocarbures, identiques ou différents, peuvent
naturellement être prévus à différents niveaux du
maturateur, au voisinage de la face interne des parois de
celui-ci.
Selon un autre aspect de l'invention il y a un procédé
de viscoréduction d'une charge lourde d'hydrocarbures à
l'état liquide, dans lequel cette charge est amenée à une
température propre à provoquer le craquage d'au moins une
partie des hydrocarbures présents, puis est introduite à
la partie inférieure d'un maturateur dans lequel elle se
déplace de bas en haut, pour être évacuée à la partie
supérieure de ce maturateur en direction d'une unité de
fractionnement; et dans lequel un gaz est injecté dans la
charge d'hydrocarbures après chauffage de cette charge, en
amont du maturateur et dans le sens d'écoulement de la
charge et l'introduction de la charge chaude dans le
maturateur est tel que le gaz combiné en conséquence est
injecté vers le haut là-dedans afin de couler le long des
parois latérales.
Selon un autre aspect de l'invention il y a un
dispositif de viscoréduction d'une charge lourde
d'hydrocarbures à l'état liquide, du type comprenant un
moyen de chauffage de la charge jusqu'à une température
propre à provoquer le craquage d'au moins une partie des
CA 02191913 2006-07-20
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hydrocarbures, un maturateur comprenant, à sa partie
inférieure, au moins une ligne d'alimentation en charge
préchauffée et, à sa partie supérieure, au moins une ligne
d'évacuation de la charge traitée vers une unité de
fractionnement de cette charge, et un moyen d'injection
d'un gaz dans la charge d'hydrocarbures à traiter après
chauffage de cette charge, le moyen d'injection étant
disposé en amont du maturateur pour injecter le gaz dans le
sens d'écoulement de la charge et l'introduction de la
charge chaude dans le maturateur est tel que le gaz combiné
en conséquence est injecté vers le haut là-dedans afin de
couler le long des parois latérales,
Le dessin annexé, qui na pas de caractère limitatif,
illustre une forme de mise en oeuvre de l'invention.
La figure 1 de ce dessin est une vue schématique
d'un appareillage de viscoréduction conforme à la présente
invention.
Sur ce dessin, on retrouve les éléments usuels d'une
unité de viscoréduction, à savoir :
- une ligne 1 d'amenée de la charge lourde, à l'état
liquide, d'hydrocarbures à traiter ;
- un four 2, que traverse la ligne 1 et qui préchauffe
la charge lourde à une température propre à assurer le
craquage d'au moins une partie des hydrocarbures quelle
contient ;
- un maturateur 3, se présentant sous la forme d'une
enceinte cylindrique fermée, disposée verticalement, qui est
alimentée à sa base par la ligne 1 et qui est équipée à sa
partie supérieure d'une ligne d'évacuation 4 des produits de
craquage de la charge vers une unité de fractionnement.
Conformément à l'invention. un moyen d'injection d'un
gaz, de préférence inerte, dans la charge d'hydrocarbures
est prévu à l'intér-->-ur ûu maturateur 3, au voisinage du
CA 02191913 2006-02-17
6b
fond de celui-ci et près de ses parois latérales. Dans le
cas du dessin, ce moyen d'injection comprend un conduit de
forme torique 5, disposé coaxialement aux parois latérales
du maturateur, au niveau du fond de celui-ci, et alimenté en
21919~:~
gaz sous pression par une ligne 6. Ce conduit 5 comporte
des orifices régulièrement espacés, qui laissent échapper le
gaz sous pression vers la partie supérieure du maturateur 3,
à co-courant de la charge d'hydrocarbures. On limite ainsi
les volumes morts de ce maturateur et les rétromouvements de
la charge, tout en évitant la formation de coke et en
assurant un strippage des produits de craquage légers
présents dans le maturateur.
L'utilisation du conduit-5 est avantageuse par rapport
à l'utilisation de buses telle que celle décrite dans le
document FR-A-2 528 444 en relation avec les figures 3A et
3B, car elle évite une modification du réacteur et donc une
plus grande complexité de mise en oeuvre.
Comme indiqué ci-dessus, plusieurs dispositifs
analogues d'injection de gaz peuvent être prévus à
différents niveaux dans le maturateur, afin d'optimiser
l'effet de ce gaz.
On pourrait aussi utiliser des buses d'injection
régulièrement disposées, débouchant à l'intérieur du
maturateur à partir des parois latérales et/ou du fond et
alimentées à partir d'une source de gaz sous pression.
On pourrait alternativement injecter du gaz de
préférence inerte sous pression dans la ligne 1, en aval du
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four 2 et en amont du maturateur 3, dans le sens de
circulation de la charge, par la ligne 7 représentée en
traits interrompus sur le dessin. La ligne 1 serait alors
de préférence reliée à un dispositif d'injection
périphérique, par example un conduit tel que le conduit de
forme torique 5, de façon à assurer que l'écoulement vers le
haut du gaz contenu dans la charge d'hydrocarbures se fasse
le long des parois du maturateur 3.
Dans-le cas où le gaz utilisé est de la vapeur d'eau
sous pression, il faudra naturellement tenir compte des
calories et de l'eau qui sont ainsi introduites dans le
maturateur et ajuster en conséquence les conditions
opératoires de celui-ci.
Dans des conditions de traitement analogues, le procédé
conforme à l'invention permet d'obtenir un résidu sous vide
de viscoréduction de stabilité grandement améliorée, comme
il ressortira des exemples ci-après.
On sait, en effet, qu'une unité de viscoréduction est
pilotée en prenant comme critère de référence la stabilité
du résidu de viscoréduction, pour son utilisation en tant
- 7a -
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que fioul, car, si la stabilité n'est pas supérieure à un
certain seuil, le fioul peut présenter des problèmes
d'utilisation, du fait de la formation de sédiments par
précipitation d'asphaltènes.
Dans des conditions de sévérité égales, le strippage des
produits légers du craquage par le gaz injecté permet
d'augmenter la stabilité du résidu de viscoréduction. En
retenant la même valeur de stabilité, il est ainsi possible
d'accroître le taux de conversion de la charge en augmentant
la température du maturateur.
C'est ce qui ressort des exemples comparatifs ci-après.
Exemple 1
Cet exemple illustre un procédé de craquage usuel par
viscoréduction, sans utilisation d'un gaz auxiliaire , d'un
résidu de distillation sous vide présentant les
caractéristiques suivantes :
- densité . 1,0375,
- viscosité
(10-6 m2/s à 100 C) : 3500,
- teneur en soufre
( % en poids ) : 3,86,
- teneur en carbone
Conradson ( % en poids ) : 19,6,
- teneur en asphaltènes
( % en poids ) . 12,1,
- point de coupe : 520 C.
Ce résidu sous vide est chauffé à une température de
l'ordre de 440 C dans un four d'une unité de viscoréduction,
puis est introduit dans le maturateur de viscoréduction non
modifié conformément à la présente invention. Ce maturateur
a un diamètre de 2,5 mètres et une hauteur axiale de 14
mètres.
On y opère. à une température de 425 C et sous une
pression de 8.105 Pascals. Le débit de la charge est
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d'environ 100 t/h et son temps de séjour moyen est de
l'ordre de 18 minutes.
A la sortie du maturateur, l'effluent de viscoréduction
est fractionné dans une colonne de distillation
atmosphérique, puis dans une colonne de distillation sous
vide.
Les produits obtenus après fractionnement et leurs
quantités sont indiqués dans le Tableau 1 ci-après.
Exemple 2
On soumet à nouveau à un traitement de viscoréduction le
même résidu de distillation sous vide que dans l'exemple 1
dans des conditions de sévérité identique. La charge est
chauffée dans le four à une température de l'ordre de 450 C
et le maturateur est opéré à une température de 430 C sous
une pression de 8.105 Pascals.
Le maturateur est équipé, conformément à l'invention,
d'un distributeur de vapeur d'eau sous pression, constitué
d'un conduit torique d'un diamètre de 30 millimètres,
présentant des orifices d'injection régulièrement répartis,
tournés vers le haut. Ce distributeur repose sur le fond du
maturateur et est disposé coaxialement aux parois latérales.
La vapeur surchauffée est injectée à la pression de 11.105
Pascals et à un débit de 0, 5 t/h, tandis que le débit de la
charge est de 100 t/h. Le temps de séjour de la charge est
de l'ordre de 15 minutes. On opère donc dans des conditions
de sévérité à peu près analogues à celles de l'exemple 1.
Comme précédemment, l'effluent de viscoréduction est
fractionné dans une colonne de distillation atmosphérique,
pris dans une colonne de distillation sous vide. Les
résultats obtenus sont rassemblés dans le Tableau 1
ci-après.
On constate que la production de gaz est diminuée, que
la production d'essence et de gaz de pétrole liquéfié (LPG)
augmente légèrement, tandis que la production de gazole
augmente sensiblement et que diminue la quantité du résidu
sous vide de viscoréduction (R.S.V.R).
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La viscosité du résidu sous vide de viscoréduction est
inchangée, mais sa stabilité est améliorée et la production
de sédiments diminuée.
Exemple 3
5 Avec le même résidu de distillation sous vide que dans
l'exemple 1, on procède à un traitement de viscoréduction
dans des conditions de sévérité accrues par rapport aux
Exemples 1 et 2.
Le résidu est chauffé dans le four à 455 C, puis est
10 introduit dans le maturateur équipé d'un anneau d'injection
de vapeur d'eau identique à celui de l'exemple 2. Le
maturateur est opéré à une température de 434 C. Les
conditions de pression et de débit de la vapeur d'eau dans
le maturateur sont les mêmes que dans l'exemple 2.
Le débit de la charge et son temps de séjour moyen dans
le maturateur restent les mémes que dans l'exemple 2.
On opère donc avec des conditions de sévérité plus
marquées que dans les Exemples 1 et 2.
Comme dans ces exemples, l'effluent du maturateur est
fractionné dans une colonne de distillation atmosphérique,
puis dans une colonne de distillation sous vide.
Les produits obtenus sont répertoriés dans le Tableau 1
ci-après, et l'on constate que, si la quantité de gaz est
sensiblement égale à celle de l'exemple 2, la quantité
d'essence et de gaz de pétrole liquéfié, de même que celle
de distillat, est accrue, tandis que la quantité de gazole
augmente notablement, et celle de résidu sous vide de
viscoréduction diminue de façon sensible.
La viscosité du résidu sous vide augmente légèrement par
rapport aux Exemples 1 et 2 et sa stabilité est identique à
celle de l'exemple 1, malgré les conditions plus sévères de
la viscoréduction.
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Tableau 1
Produits obtenus
après fractionnement Exemple 1 Exemple 2 Exemple 3
(% en poids)
Gaz 0,64 0,42 0,44
Essence + LPG 5 5,3 5,5
Gazole 12,3 13,7 14,3
Distillat 10,9 10,3 10,8
R.S.V.R. 71,2 70,2 68,9
Stabilité du R.S.V.R.
- stabilité (*) + ++ +
- sédiments ( * * ) 850 500 800
(pPm)
Viscosité du R.S.V.R. 40 000 50 000 70 000
(10-6 m2/s à 100 C)
(*) mesurée par exemple selon la procédure D 1661 du test
ASTM (ASTM standards, pages 657-661, vol. 05.01, édition
1989).
(**) mesurée selon la procédure NFM 07063. La température de
filtration est adaptée à la viscosité du produit et est
supérieure à 100 C. Un lavage additionnel avec un solvant
adapté à la température de filtration est effectué avant
celui au dodécane.
Ces résultats illustrent donc clairement l'avantage de
l'injection dans le maturateur d'un gaz à co-courant de la
charge traitée.
