APPAREIL POUR LA SEPARATION DE PARTICULES SOLIDES ET DE MATIERES GAZEUSES, ET SON UTILISATION.

L'invention concerne un appareil pour la séparation de particules solides et de matières gazeuses et son utilisation.

Ce type d'appareil est par exemple utilisé dans les installations de raffinage ou de pétrochimie destinées au traitement des hydrocarbures contenus dans le pétrole et ses dérivés. Il peut être également utilisé dans d'autres industries où ce type de séparation est nécessaire.

On peut citer notamment le cas des installations industrielles qui fonctionnent en lits fluidisés. Il s'agit d'unités telles que le craquage catalytique (FCC : fluid catalytic cracking), les chaudières, les incinérateurs ou les réacteurs de pyrolyse, sans toutefois considérer cette liste comme exhaustive.

La figure 1 est une représentation schématique d'une unité en lit fluidisé de type FCC.

La charge C de l'unité, généralement un distillât sous vide, est introduite après préchauffage à la base d'un long tube vertical 1 , appelé riser, débouchant dans un réacteur 2. Dans le riser 1 , la charge est mise en contact avec un catalyseur à haute température, environ 700 ⁰ C, provenant d'un régénérateur 3. Au contact du catalyseur, la charge se vaporise et craque en s'élevant dans le riser 1 vers le réacteur, dont la pression est généralement maintenue à un niveau faible (2 bars relatifs), et la température est de l'ordre de 500 ⁰ C. A la sortie du riser 1 , un déflecteur fixe 4 permet une première séparation grossière des vapeurs d'hydrocarbures et du catalyseur, ce dernier retombant dans la partie inférieure du réacteur. Le catalyseur entraîné par les matières gazeuses est récupéré grâce à deux appareils pour la séparation de particules solides et de matières gazeuses, 5, 6 disposés en série à l'intérieur du dôme du réacteur.

Ces appareils de séparation sont de type centrifuge. Il s'agit par exemple de dispositifs pourvus d'une entrée tangentielle des matières gazeuses, appelés cyclones, ou de dispositifs pourvus d'une entrée axiale des matières gazeuses et pourvus de déflecteurs tourbillonnaires, appelés « swirl tubes » ( gas cyclones and swirl tubes, Principles, Design and Opération » de A. C. Hoffman et L. E. Stein).

Ces appareils de séparation centrifuge sont dits de 1 ^er étage ou primaires lorsqu'ils traitent le flux gazeux contenant les particules

solides directement issu du procédé en lit fluidisé. Ils sont dits de 2 ^ème étage ou secondaires lorsqu'ils traitent l'effluent d'un 1 ^er étage en vue d'une séparation plus poussée.

Les effluents de matières gazeuses (Eg sur la figure 1) débarrassés des particules de catalyseur sont ensuite dirigés vers soit un appareil de séparation secondaire soit vers une section aval, par exemple une colonne de fractionnement (non représentée).

La zone inférieure du réacteur 2 est reliée au régénérateur 3 par un tube 7 incliné vers le bas dans lequel s'écoule le catalyseur vers le régénérateur. Dans le régénérateur, le catalyseur est soumis à un débit d'air sous haute température, provoquant la combustion du coke déposé sur le catalyseur. A l'intérieur du régénérateur, les fumées de combustion sont débarrassées du catalyseur entraîné au moyen de deux autres appareils de séparation centrifuge 8, 9 montés en série. Ces appareils de séparation centrifuge sont dits de deuxième étage ou secondaires. Le catalyseur retombant dans le fond du régénérateur est renvoyé dans le riser 1 au moyen d'un tube incliné 10.

Enfin, pour finir la séparation, un autre appareil de séparation centrifuge 1 1 , dit de 3 ^ème étage ou tertiaire est disposé en aval du régénérateur 3 pour traiter l'effluent gazeux sortant dudit régénérateur. Un appareil de séparation centrifuge de 4 ^ème étage ou quaternaire, non représenté, peut être placé en aval de l'appareil de séparation centrifuge 1 1 , monté en série avec ce dernier.

Dans le régénérateur 3 comme dans le réacteur 7, la circulation du catalyseur à fort débit est possible grâce à différentes injections d'air, de gaz ou de vapeur dans les tubes de transfert du catalyseur, permettant de maintenir celui-ci à l'état fluidisé. Cet état fluidisé est également favorisé par une taille des particules de catalyseur, inférieure à 150 microns, et idéalement comprise entre 40 et 80 microns.

Les appareils pour la séparation de particules solides et de matières gazeuses, tels que les appareils de séparation centrifuge mentionnés ci-dessus, utilisés dans le réacteur, dans le régénérateur ou en aval du régénérateur, sont par exemple du type de ceux décrits dans les documents FR 2 565 127 ou WO 00/27949.

On utilise dans ces appareils de séparation centrifuge des stabilisateurs de vortex qui peuvent être fixes comme par exemple dans le brevet WO 97/42275, ou mobiles comme décrit dans le brevet

US4810264. Dans ce dernier document, le stabilisateur de vortex est ajustable extérieurement et peut être déplacé selon l'axe du récipient de séparation, plus ou moins près de la sortie des fluides déchargés en particules solides. Le plan par lequel passe la base du stabilisateur de vortex est en permanence perpendiculaire à l'axe de déplacement de ce dernier, quelque soit sa position dans le récipient de séparation. La position plus ou moins proche de la sortie des fluides permet de positionner le vortex mais aussi de contrôler la taille de l'ouverture de la conduite de sortie des fluides déchargés de solides.

Dans le brevet US4670410, on utilise dans ces appareils, un stabilisateur de vortex fixé en sortie du récipient de séparation au- dessus du moyen d'évacuation des particules solides, le dit stabilisateur de vortex étant fixé en contact avec la paroi du dit récipient de séparation, et présentant des ouvertures permettant l'évacuation des solides par le dit moyen d'évacuation. Malgré ces ouvertures, une partie des particules se dépose sur la surface supérieure du stabilisateur.

Un exemple d'appareil de séparation centrifuge est décrit en référence à la figure 2 présenté sous sa forme la plus courante. Il est constitué d'un récipient de séparation cyclonique 20 comportant une conduite 21 d'amenée des suspensions de particules solides et de matières gazeuses débouchant tangentiellement sur une entrée le plus souvent rectangulaire 22 à l'intérieur du récipient de séparation 20. Les matières gazeuses purifiées Gp sortent du récipient de séparation cyclonique 20 par un tuyau d'évacuation vertical 23 traversant la partie supérieure du récipient 20. Les matières gazeuses chargées en particules solides pénètrent par l'entrée 22 du récipient, et passent à une zone tourbillonnaire 24. Un stabilisateur de vortex 25 situé à une distance appropriée de l'extrémité inférieure du tuyau d'évacuation 23 des matières gazeuses épurées définit sensiblement la limite inférieure de la zone tourbillonnaire 24. Le stabilisateur de vortex 25 permet de maintenir le vortex dans le centre du récipient de séparation 20, dans la partie du récipient située au dessus du stabilisateur. Il permet également d'obtenir un vortex stable, qui en l'absence de stabilisateur, subirait un mouvement de précession autour de l'axe du récipient et viendrait en contact avec les parois du récipient, provoquant un réentraînement des particules.

En dessous du stabilisateur de vortex 25, les particules solides séparées sont évacuées en 26 sous forme de phase diluée ou de lit dense de particules. Les particules solides recueillies en 26 sont évacuées du récipient de séparation cyclonique 20 par le moyen d'évacuation 27. Ce moyen d'évacuation 27 est généralement un tuyau vertical, appelé dipleg, dont l'extrémité libre peut déboucher dans l'enceinte du récipient ou être obturée par une valve 28, par exemple du type « trickle valve », réglée pour laisser le catalyseur s'écouler de manière sensiblement constante hors du récipient de séparation cyclonique.

Le stabilisateur de vortex 25 impose également un retournement de vortex à l'endroit où il est placé, supprimant ainsi le vortex dans la zone inférieure du récipient de séparation cyclonique, et évitant un réentraînement des particules de catalyseur séparées, notamment des particules les plus fines.

Toutefois, les particules de catalyseur ont tendance à s'accumuler sur le stabilisateur de vortex 25, et plus précisément sur sa surface supérieure. Une telle accumulation est particulièrement importante lorsque des matières gazeuses surchargées en particules solides sont traitées par l'appareil. Une trop grande accumulation de ces particules sur le stabilisateur de vortex peut alors conduire à un réentraînement de ces particules avec les matières gazeuses épurées, résultant en une séparation insuffisante des particules solides, et en un engorgement de la section de passage disponible pour l'évacuation des particules solides.

Le même problème se pose pour tous les séparateurs centrifuges munis d'un stabilisateur de vortex, qu'ils présentent une entrée des matières gazeuses axiale ou radiale, ou une autre configuration.

De manière plus générale, le problème du réentraînement des particules solides déposées sur la face supérieure du stabilisateur se pose dans toutes les utilisations de ce type d'appareil, à partir du moment où des particules sont susceptibles de se déposer sur le dessus du stabilisateur. On peut citer le cas où ces appareils sont utilisés dans les unités à lit fluidisé. De telles unités à lit fluidisé sont rencontrées dans les domaines du raffinage et de la pétrochimie, par exemple dans les unités de craquage catalytique, les chaudières, les réacteurs de pyrolyse, les incinérateurs.

En dehors des unités fonctionnant en lit fluidisé, on peut citer également des cas où ces appareils sont utilisés dans le domaine du dépoussiérage et dans le domaine des transports pneumatiques. Dans ces derniers domaines, le flux gazeux peut être par exemple de l'air.

L'invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un appareil pour la séparation de particules solides et de matières gazeuses qui permette d'éviter un réentraînement des particules dans les matières gazeuses épurées, notamment des particules accumulées sur le stabilisateur de vortex, en particulier en fonctionnement dans des conditions extrêmes lorsque les matières gazeuses traitées sont surchargées en particules, ou encore lorsqu'un engorgement de l'appareil est détecté en aval. L'appareil selon l'invention permet ainsi d'obtenir une séparation efficace, même dans des conditions de fonctionnement extrêmes.

A cet effet, l'objet de l'invention concerne un appareil pour la séparation de particules solides et de matières gazeuses comprenant un récipient de séparation essentiellement cylindrique de type centrifuge pourvu :

- d'une entrée pour recevoir les particules solides en suspension dans les matières gazeuses,

- d'un premier moyen d'évacuation des matières gazeuses épurées,

- d'un deuxième moyen d'évacuation des particules solides séparées, et

- d'un stabilisateur de vortex, maintenu à une distance fixe entre les deux moyens d'évacuation, caractérisé en ce qu'une partie au moins du stabilisateur est montée mobile entre une position de stabilisation de vortex et une position d'évacuation des particules provoquant la chute des particules déposées sur la surface du stabilisateur au cours du fonctionnement du récipient de séparation.

Par position de stabilisation de vortex, on entend la position habituelle du stabilisateur permettant d'obtenir une stabilisation du vortex supprimant la formation de vortex dans la zone inférieure du récipient de séparation, obtenue en positionnant la plus grande dimension du stabilisateur dans un plan perpendiculaire à l'axe du

récipient essentiellement cylindrique à une hauteur appropriée située entre les deux moyens d'évacuation.

La position d'évacuation du stabilisateur, est identique au cas précédent par rapport aux deux moyens d'évacuation, mais on met en mouvement la (ou les) partie(s) mobile(s) du stabilisateur permettant ainsi de faire tomber au fond du récipient les particules déposées sur le stabilisateur, et d'éviter le réentraînement de ces particules avec les matières gazeuses épurées ainsi que l'engorgement de la section de passage pour l'évacuation des particules solides.

Avantageusement, dans un mode de réalisation particulièrement simple la totalité du stabilisateur est mobile et peut être mise en mouvement, par exemple par basculement autour d'un axe de rotation, entre la position de stabilisation du vortex et la position d'évacuation des particules.

On peut toutefois envisager que le stabilisateur soit divisé en deux ou plusieurs parties, chacune mobile entre une position de stabilisation de vortex et une position d'évacuation des particules.

Dans une variante, ladite partie mobile est montée escamotable, de manière à pouvoir être rétractée en position d'évacuation.

La partie mobile peut par exemple être rétractée à la manière d'un diaphragme.

Dans une autre variante, ladite partie mobile est montée pivotante, de manière à pouvoir être inclinée dans la position d'évacuation.

En position inclinée, les particules solides accumulées sur la face supérieure du stabilisateur glissent vers le fond du récipient de séparation centrifuge. Il n'y a ainsi plus de risque de réentraînement de ces particules avec les matières gazeuses épurées.

En particulier, l'inclinaison de la position inclinée sera suffisamment importante pour permettre le glissement de la majorité des particules déposées sur la face supérieure du stabilisateur.

De préférence, le stabilisateur est pourvu de trous traversants sur au moins une partie de sa surface. Ces perforations permettent à une partie des particules de tomber directement au fond du récipient de séparation centrifuge, sans se déposer sur la face supérieure du stabilisateur et sans avoir à déplacer le stabilisateur, sans dégrader la l'effet de stabilisation du vortex.

De préférence, le stabilisateur de vortex est situé à l'extrémité du dit récipient de séparation proche du moyen d'évacuation.

Dans un mode préféré de l'invention, le stabilisateur de vortex est fixé au-dessus de l'extrémité inférieure du récipient de séparation à une distance choisie dans un intervalle de plus ou moins une fois la plus grande dimension du dit stabilisateur de vortex, dans le plan perpendiculaire à l'axe du récipient lorsque le stabilisateur est en position de stabilisation.

Avantageusement, en position de stabilisation de vortex, cette plus grande dimension du dit stabilisateur de vortex est supérieure ou égale au diamètre du premier moyen d'évacuation et inférieure ou égale à 0,98 fois le diamètre du récipient au niveau de la position du stabilisateur de vortex dans ledit récipient.

De plus, en position de stabilisation de vortex, la distance entre le bord périphérique du stabilisateur et la paroi du récipient est telle que le rapport de la plus grande dimension du dit stabilisateur sur le diamètre du récipient au niveau de la position du stabilisateur de vortex dans le récipient, est choisi dans un intervalle variant de 0,4 à 0,9, de préférence de 0,6 à 0,9. Ces dimensions réduites permettent également à un maximum de particules de tomber directement au fond du récipient de séparation centrifuge par la section de passage laissée libre entre les parois du récipient et le bord du stabilisateur.

De préférence, l'appareil de séparation est pourvu de moyens d'actionnement aptes à provoquer le mouvement de la (ou des) partie(s) mobile(s) du stabilisateur de sa (leur) position de stabilisation de vortex vers sa (leur) position d'évacuation des particules.

De préférence également, l'appareil est pourvu de moyens de rappel aptes à ramener la (ou les) partie(s) mobile(s) du stabilisateur de sa (leur) position d'évacuation des particules vers sa (leur) position de stabilisation du vortex, et ceci, de préférence en un temps suffisamment court pour ne pas perturber le fonctionnement du récipient de séparation.

Ces moyens de rappel sont par exemple actionnés lorsque les matières gazeuses à traiter retrouvent une charge normale en particules solides, ou lorsque l'appareil n'est plus engorgé.

Ces moyens d'actionnement et/ ou de rappel peuvent être situés à l'intérieur du récipient de séparation centrifuge. Il s'agit par exemple de ressorts de rappel, ou de contrepoids.

En variante, les moyens d'actionnement et/ou de rappel sont situés à l'extérieur du récipient de séparation centrifuge. Il s'agit par exemple de câble ou vérin de rappel, de biellette, de moyens pneumatiques, électriques ou magnétiques, ou de toute combinaison de ces moyens, qu'ils soient placés à l'intérieur ou à l'extérieur du récipient.

L'invention concerne également l'utilisation d'au moins un appareil pour la séparation de particules solides et de matières gazeuses selon l'invention pour traiter un effluent gazeux d'une unité fonctionnant en lit fluidisé.

Une alternative consiste à utiliser au moins un appareil pour la séparation de particules solides et de matières gazeuses selon l'invention, pour traiter un effluent gazeux d'une unité de dépoussiérage, par exemple une unité de dépoussiérage d'un flux d'air, ou encore pour traiter un effluent gazeux d'une unité de transport pneumatique.

Une autre alternative consiste à utiliser au moins un appareil pour la séparation de particules solides et de matières gazeuses selon l'invention pour traiter un effluent gazeux d'une unité de traitement d'hydrocarbures contenus dans le pétrole brut et ses dérivés dans le domaine du raffinage, ou de la pétrochimie, ou du traitement de toute charge ou combustible.

On peut citer dans ces derniers domaines le cas de l'incinération, de la pyrolyse et de la combustion avec les chaudières en lit fluidisé, dans lesquelles les particules solides à séparer sont constituées de sable pouvant être en mélange avec du charbon et des cendres.

On peut également citer dans le domaine du raffinage le cas d'une unité de craquage catalytique, notamment dans laquelle les particules solides à séparer sont des particules de catalyseur.

En particulier, cet appareil peut être utilisé pour traiter l'effluent gazeux sortant d'un régénérateur de catalyseur faisant partie de l'unité de craquage catalytique.

En variante, on utilise au moins deux appareils pour la séparation de particules solides et de matières gazeuses montés en

série, de manière étagée, chaque étage pouvant être constitué de plusieurs appareils en parallèle, pour traiter l'effluent gazeux dans une unité de dépoussiérage ou une unité de traitement d'hydrocarbures.

Avantageusement, on utilise un appareil pour la séparation de particules solides et de matières gazeuses pourvu de moyens d'actionnement et/ou de rappel, lesdits moyens d'actionnement et/ou de rappel étant commandés par un dispositif de contrôle de l'unité de considérée.

De préférence, le dispositif de contrôle commande les moyens d'actionnement lorsque les matières gazeuses à séparer sont surchargées en particules solides. Cette commande sera préférentiellement déclenchée peu de temps après le traitement des matières gazeuses surchargées en particules solides.

En variante, le dispositif de contrôle commande les moyens d'actionnement lorsqu'un engorgement de l'appareil de détection est détecté.

Cette détection a lieu en aval de l'appareil, par exemple en surveillant la qualité des matières gazeuses épurées sortant, ou la quantité de solide accumulée dans l'organe d'évacuation du solide épuré.

L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'une unité de craquage catalytique ; la figure 2 est une représentation schématique d'un appareil de séparation faisant partie de l'état de la technique ; la figure 3 est une représentation schématique de côté d'un stabilisateur de vortex faisant partie d'un appareil de séparation selon l'invention ; la figure 4 est une représentation du stabilisateur de vortex de la figure 3 vu de face, la figure 5 est une vue de dessus du stabilisateur de vortex des figures 3 et 4.

Un exemple d'appareil pour la séparation de particules solides et de matières gazeuses selon l'invention est du type de celui représenté

sur la figure 2. L'appareil représenté comprend un récipient de séparation centrifuge 20 de type cyclonique pourvu :

- d'une entrée 22 de réception des particules solides en suspension dans les matières gazeuses,

- d'un premier moyen d'évacuation supérieur 23 des matières gazeuses épurées, et

- d'un deuxième moyen d'évacuation inférieur 27 des particules solides séparées,

- d'un stabilisateur de vortex 25 situé à une distance appropriée de l'extrémité inférieure du fond du moyen d'évacuation supérieur, au dessus du moyen d'évacuation inférieur.

Le stabilisateur de vortex 25 est en outre monté dans le récipient de séparation de manière à être maintenu à une distance fixe des deux moyens d'évacuation 23 et 27.

De manière connue, l'entrée 22 est conçue afin de permettre la création d'un vortex à l'intérieur du récipient cyclonique.

Dans l'exemple, les premier et deuxième moyens d'évacuation sont des tuyaux.

Selon l'invention, une partie au moins du stabilisateur 25 est montée mobile entre une position de stabilisation de vortex et une position d'évacuation des particules apte à provoquer la chute des particules déposées sur sa surface supérieure vers le deuxième moyen d'évacuation bas du récipient.

La position de stabilisation de vortex est généralement sensiblement horizontale. Dans l'exemple représenté, la position d'évacuation des particules est une position inclinée en direction du tuyau inférieur.

Dans l'exemple représenté sur les figures 3 à 5, le stabilisateur de vortex 25 est formé d'un disque 30 pourvu d'une pointe à vortex se présentant sous la forme d'une tige 31 perpendiculaire au disque, située au centre de ce dernier, et dirigée vers le haut en direction de la zone tourbillonnaire 24. Cette tige 31 permet de limiter et de centrer le mouvement latéral du vortex dans la zone tourbillonnaire 24.

Bien entendu, d'autres formes de stabilisateur de vortex peuvent être utilisées, telle qu'une plaque pleine, un disque circulaire ou un anneau, ces formes pouvant être équipées de cône ou de pointe.

Selon l'invention, le disque 30 est pourvu d'un axe 32 dont les extrémités sont montées à rotation dans les parois du récipient de séparation 20. Cet axe coupe le disque 30 en deux moitiés égales.

Grâce à cet axe 32, le stabilisateur de vortex peut être basculé d'une position sensiblement horizontale représentée en traits pleins sur les figures 3 et 4, à une position inclinée représentée en traits discontinus sur les mêmes figures.

Afin de permettre au maximum de particules de catalyseur de tomber directement dans le fond du récipient cyclonique 20, des trous traversants 33 sont réalisés dans le disque 30 du stabilisateur, tel que visible sur la figure 5, et la périphérie du disque est distante des parois du récipient 20.

Le basculement du stabilisateur peut être commandé par des moyens d'actionnement faisant tourner l'axe 32 et des moyens de rappels étant éventuellement prévus pour ramener le stabilisateur dans sa position initiale de stabilisation de vortex.

Ces moyens d'actionnement et de rappel peuvent être disposés à l'intérieur ou à l'extérieur du récipient cyclonique et sont de préférence résistants aux conditions de fonctionnement à l'intérieur de l'appareil, ou aux conditions de fonctionnement régnant dans les réacteurs dans lesquels ils sont susceptibles d'être utilisés.

Ces moyens d'actionnement peuvent par exemple comprendre un dispositif de maintien magnétique du stabilisateur en position horizontale (par exemple en bloquant la rotation de l'axe 32 au moyen d 'électroaimants) et des masses disposées sur une moitié du stabilisateur de manière à ce que lorsque le dispositif de maintien magnétique horizontal du stabilisateur est désactivé, les masses déséquilibrent suffisamment le stabilisateur pour contrer la force d'un ressort de rappel et provoquer sa rotation, mais pas suffisamment pour empêcher le ressort de rappel de ramener le stabilisateur dans sa position horizontale dans laquelle le dispositif de maintien magnétique est à nouveau activé.

A la place d'un ressort de rappel disposé à l'intérieur ou l'extérieur du récipient 20, on peut utiliser un câble de rappel ou un vérin de rappel.

Par ailleurs, le dispositif de maintien magnétique peut être remplacé par un dispositif de maintien pneumatique.

De tels moyens d'actionnement peuvent être pilotés par un dispositif de contrôle, contrôlant par exemple les conditions de fonctionnement de l'unité de traitement catalytique et permettant de les activer/ désactiver dans des conditions particulières de fonctionnement de l'unité, en particulier quand une surcharge de particules est prévue. Ces moyens peuvent également être déclenchés lorsqu'un engorgement de l'appareil est détecté en aval par contrôle de la quantité de solide accumulée dans la zone d'évacuation du solide.

De préférence, l'inclinaison du stabilisateur de vortex se produit dans un laps de temps très court afin d'éviter de perturber le fonctionnement de l'appareil de séparation.

L'appareil pour la séparation de particules solides selon l'invention peut également comporter une zone de strippage située entre le stabilisateur de vortex et le lit dense de particules.

Bien que l'appareil selon l'invention ait été décrit en utilisation dans une unité de craquage catalytique, cet appareil peut être utilisé dans de nombreuses autres applications dans lesquelles il est nécessaire de séparer des particules solides de matières gazeuses.

Par ailleurs, dans un mode de réalisation non représenté, la position d'évacuation du stabilisateur de vortex peut être obtenue par rétractation d'au moins une partie escamotable du stabilisateur de vortex. Par exemple, le disque décrit plus haut formant le stabilisateur peut comporter une partie formant un diaphragme et se rétractant sous le reste du disque, de sorte que les particules déposées sur la partie formant un diaphragme sont raclées de cette partie et tombent au fond du récipient.

La rétractation de cette partie peut être déclenchée dans les conditions de fonctionnement décrites plus haut.

Enfin, l'invention concerne tous les types d'appareils de séparation de type centrifuge, notamment à cyclone ou « swirl vanes ».