NOUVEAU SYSTEME DE SEPARATION GAZ SOLIDE POUR LES REGENERATEURS DES UNITES DE CRAQUAGE CATALYTIQUE EN LIT FLUIDISE

Domaine de l'invention L'invention concerne un dispositif de séparation applicable en tête des régénérateurs des unités de craquage catalytique en lit fluidisé ( abréviation FCC). La zone de régénération des unités de craquage catalytique peut être réalisée en un seul étage ou être divisée en deux étages. A titre d'exemple on peut citer comme technologie à un étage le "flexicracker" d'EXXON qui fonctionne en lit fluidisé dense, ou la technologie FCC d'UOP qui fonctionne en lit entraîné. Comme exemple de zone de régénération à deux étages, on peut citer la technologie R2R de la société AXENS/SWEC. On pourra trouver une représentation schématique de ces différentes technologies dans l'ouvrage "Fluid Catalytic Handbook" de Reza Sadeghbeigi publié aux éditions "GuIf Professional Publishing" aux pages 2 et 3 ( figures 1-1 ; 1-2; 1-3).

Dans la suite du texte, on appellera dispositif de séparation, objet de la présente invention, le dispositif permettant la séparation primaire du catalyseur des gaz de combustion, situé dans le ou les étages de la zone de régénération en amont d'un ou de plusieurs étages de séparation secondaire, généralement réalisés au moyen d'étages de cyclones.

Que la zone de régénération soit réalisée en un étage ou en deux étages, elle doit posséder au moins un dispositif de séparation entre les gaz de combustion et le catalyseur régénéré par étage. Rappelons que la zone de régénération des unités de FCC est une zone à l'état fluidisé dans laquelle est réalisée la combustion contrôlée du coke déposé à la surface du catalyseur en provenance de la zone réactionnelle, de manière à retrouver en sortie de ladite zone de régénération un niveau de coke très faible avant de renvoyer le catalyseur régénéré dans la zone réactionnelle. Typiquement, le niveau de coke en entrée de la zone de régénération est compris entre 0,3 % et 2,0% poids, le plus souvent entre 0,5% et 1 ,5% poids, et se retrouve en sortie de ladite zone inférieur à 0,05 % poids.

L'objectif du dispositif de séparation du catalyseur et des gaz de combustion est d'abaisser la concentration en particules solide dans les effluents gazeux introduits dans l'étage de cyclones situés en aval, l'efficacité de séparation des particules étant, selon la présente invention, d'au moins 90 % et préférentiellement d'au moins 95%. Cette valeur représente un gain très important par rapport aux valeurs obtenues avec les dispositifs de l'art antérieur, du type croix de désengagement, tels en particulier que celui représenté sur la figure 1-2 citée plus haut, dont l'efficacité ne dépasse pas 60 à 70 %. Le dispositif selon la présente invention permet de par son efficacité accrue, de supprimer un des étages de cyclones situés en aval. Il en résulte un gain substantiel en compacité, surtout lorsque les étages de cyclones sont situés à l'intérieur de la zone de régénération.

Rappelons que le rapport des débits massiques solide sur gaz dans l'écoulement gaz solide en entrée de la zone de séparation est généralement compris entre 2 et 50, et préférentiellement compris entre 3 et 10.

Examen de l'art antérieur

L'art antérieur concernant les systèmes de séparation entre le catalyseur régénéré et les gaz de combustion est le plus souvent représenté par des dispositifs simples consistant en un changement de direction brutal de la suspension gaz solide avec généralement une sortie unique pour le gaz et pour le solide. Le type standard de ces dispositifs de désengagement est la croix de désengagement qui consiste en un ensemble de bras situés dans le prolongement, et selon une direction sensiblement perpendiculaire à la conduite verticale d'amenée de la suspension gaz solide, chaque bras étant muni d'une ouverture de sortie dirigée vers le bas. L'efficacité de tels systèmes est en général comprise entre 60 et 70 % poids, c'est à dire plus précisément qu'après l'évacuation de la suspension gaz solide par les ouvertures de sortie, environ 60 % du solide rejoint la phase dense du lit fluidisé situé au dessous, alors que 40% dudit solide en suspension dans le gaz va alimenter l'étage de cyclones situé en aval du dispositif.

Description sommaire des figures

L'ensemble des figures jointes s'appliquent aussi bien à la configuration d'une zone de régénération en un seul étage , qu'en deux étages.

La figure 1 représente une vue en perspective du dispositif selon l'invention qui permet de visualiser la position relative dudit dispositif et du système de séparation secondaire constitué d'un étage de cyclones situé en aval.

La figure 2 représente une vue de profil du dispositif selon l'invention. Elle permet de visualiser la configuration d'une chambre de séparation.

La figure 3 représente une vue de dessus du dispositif selon l'invention comprenant un système de séparation secondaire constitué d'un étage de cyclones. Elle permet de visualiser la position des jambes de retour des cyclones par rapport aux chambres de séparation.

La figure 4 représente une vue plus particulière des déflecteurs et de leur position par rapport aux chambres de séparation et aux jambes de retour des cyclones. Pour ne pas alourdir la figure, l'orifice qui équipe la partie inférieure des déflecteurs n'est pas représenté.

Description sommaire de l'invention

La présente invention consiste en un dispositif de séparation de particules solide contenues dans un flux gazeux provenant de la zone de régénération d'une unité de craquage catalytique en lit fluidisé ( FCC) délimité par une enveloppe interne (3) de forme cylindrique centrée selon l'axe vertical de la zone de régénération, et une enveloppe externe (1) présentant une paroi sensiblement horizontale (15), suivie d'une paroi curviligne (16), et d'une paroi sensiblement verticale (17), l'ensemble desdites parois (15,16,17) recouvrant l'enveloppe interne (3) et formant un ensemble de chambres de séparation (2) réparties en chapelles autour de l'enveloppe interne (3) dans lequel circule la suspension gaz solide à séparer.

Une chambre de séparation (2) possède donc une première paroi verticale commune avec la paroi verticale de l'enveloppe interne (3), une seconde paroi

curviligne constituée de la réunion des parois (15), (16) et (17) et deux parois latérales (22), (22 ¹ ) sensiblement perpendiculaires à l'enveloppe cylindrique (3).

Chaque chambre de séparation (2) communique d'une part par les sections d'entrée

(4) avec l'enveloppe cylindrique interne (3), et d'autre part par les sections de sortie (5) avec la zone de régénération (25), et possède au moins une sortie latérale (6) située dans la partie supérieure de la paroi latérale (22) et/ou (23) de ladite chambre de séparation. La sortie latérale (6) est définie par l'espace compris entre la portion de paroi verticale de l'enveloppe interne (3) située immédiatement au dessous de la section d'entrée (4) et l'intrados (26) correspondant à la paroi curviligne (16) de l'enveloppe externe (1 ).

La forme de la sortie latérale (6) sera approximativement celle d'un quart de cercle ou d'ellipse. On entend par approximativement le fait que toute forme permettant un enroulement de la suspension gaz solide autour de la paroi curviligne (16) et de l'intrados correspondant (26) convient à la présente invention. La forme exacte de la sortie latérale (6) résulte de la forme de l'intrados (26) correspondant à ladite paroi curviligne (16).

Le dispositif selon l'invention peut comporter des déflecteurs (7) situés entre deux chambres de séparation successives (2), chaque déflecteur étant fixé à la paroi de l'enveloppe cylindrique interne (3) et ayant préférentiellement une forme d'aile dirigée vers le haut, l'extrémité supérieure de l'aile étant située à un niveau inférieur au niveau supérieur des sorties latérales (6). Ces déflecteurs (7) sont munis dans leur partie inférieure d'au moins un orifice ( non représenté sur les figures) permettant l'évacuation du catalyseur qui pourrait s'accumuler dans l'angle formé entre la partie inférieure dudit déflecteur (7) et la paroi cylindrique interne (3).

On reste dans le cadre de la présente invention en donnant aux déflecteurs (7) toute forme permettant de canaliser la remontée du gaz issu des sorties latérales (6). La forme en aile dirigée vers le haut est la forme préférée, mais des formes coniques ou plus généralement tubulaires ( c'est à dire un ensemble de tubes convenablement inclinés) restent parfaitement dans le cadre de la présente invention. Des

informations complémentaires sur les déflecteurs (7) sont données dans la description détaillée.

Le dispositif selon l'invention présente une symétrie cylindrique autour de l'axe vertical de la zone de régénération (25). En particulier les jambes de retour (8) des cyclones (21) constituant l'étage de séparation secondaire s'intercalent entre les chambres de séparation (2) et plongent jusqu'à un niveau qui peut être situé soit au dessus du niveau du lit fluidisé dense, soit être situé à l'intérieur même du lit fluidisé dense. On parle dans ce dernier cas de jambe immergée. De manière préférée, les jambes de retour (8) déboucheront dans la phase diluée surmontant le lit dense.

Les jambes de retour (8) pourront former un certain angle par rapport à la verticale. Un angle maximal de 20°, et préférentiellement un angle maximal de 15° par rapport à la verticale, sera admissible pour le bon fonctionnement des jambes de retour (8). De manière particulièrement préférée, les jambes de retour (8) seront sensiblement verticales, c'est à dire pourront s'écarter de la verticale d'un angle d'au plus 5°.

Enfin, les jambes de retour pourront être munies à leur extrémité inférieure de systèmes mécaniques permettant d'éviter la remontée des bulles à l'intérieur desdites jambes, et de bien distribuer la suspension gaz solide vers l'extérieur de la jambe. Ces systèmes seront de tout type connus de l'homme du métier, en particulier des chapeaux de forme diverse, chapeaux chinois en particulier, voire même de simple plaque horizontale séparée de l'extrémité inférieure de la jambe (8) d'une distance comprise entre 0,5 fois et 1,5 fois le diamètre de ladite jambe de retour.

Le dispositif selon l'invention permet une séparation efficace des particules de catalyseur régénéré, avant leur réintroduction dans la zone réactionnelle de l'unité de craquage catalytique. L'efficacité de la séparation gaz solide est d'au moins 90 %, et plus souvent de 95 %, ce qui présente en outre l'avantage de permettre aux cyclones constituant l'étage de séparation secondaire de travailler à des niveau de concentration en particules moindre, donc dans des conditions optimales.

La perte de charge du dispositif selon l'invention est en général un peu supérieure à celle d'un dispositif selon l'art antérieur, ce qui n'est pas pénalisant dans la mesure où ce poste est peu important dans le bilan pression de l'unité.

Description détaillée de l'invention Les numérotations entre parenthèses dans le texte correspondent aux numérotations sur les figures 1 à 4. Le dispositif de séparation selon la présente invention est applicable aux unités de craquage catalytique en lit fluidisé présentant une zone de régénération à un ou deux étages. Dans le cas d'une zone de régénération à deux étages, les deux étages sont reliés par une zone tubulaire de forme sensiblement verticale et allongée appelé "lift" dans la terminologie anglo- saxonne que nous traduirons par tube de transport et noté (18) sur la figure 2.

Dans le cas où la zone de régénération ne comporte qu'un étage, le dispositif selon l'invention se place dans la partie supérieure du lit fluidisé constituant ledit étage en continuité avec les parois du réacteur en lit fluidisé. Cette continuité est généralement assurée par une zone de transition conique (10) qui permet de passer progressivement du diamètre du réacteur au diamètre de la conduite verticale cylindrique (18).

Comme il n'y a pas de différence de fonctionnement au niveau du dispositif selon l'invention, selon qu'il est implanté dans une zone de régénération à un étage ou deux étages, on ne distinguera pas dans la suite du texte la conduite cylindrique verticale (18) qui correspond selon le cas, soit au tube de transport ( cas d'une zone de régénération à deux étages), soit à la partie supérieure du lit fluidisé ( cas d'une zone de régénération à un étage)

De manière générale, on parlera de zone de régénération pour désigner l'enceinte comprenant le lit fluidisé au sein duquel s'effectue la réaction de combustion du coke, le dispositif de séparation primaire selon la présente invention, et le dispositif de séparation secondaire constitué généralement d'un ou plusieurs étages de cyclones.

La description qui suit concerne aussi bien le cas d'une zone de régénération à 2 étages, qu'une zone de régénération à un étage, la zone de transition conique (10) pouvant dans certains cas être supprimée.

Le dispositif selon la présente invention comprend une première enveloppe cylindrique interne (3) de forme cylindrique en continuité avec les parois de la zone de régénération lorsque celle ci est constituée d'un seul étage ou en continuité avec les parois du tube de transport lorsque la zone de régénération comporte deux étages. Dans les deux cas, la continuité est assurée par l'intermédiaire d'une zone de transition de forme cylindro-conique (10) permettant de passer du diamètre du réacteur ou du tube de transport à celui de l'enveloppe cylindrique interne (3).

L'enveloppe de la zone de régénération (25) contient à la fois le dispositif selon la présente invention, le système de séparation secondaire généralement constitué d'au moins un étage de cyclones (21 ), et le lit fluidisé dense à l'intérieur duquel se réalise la combustion contrôlée du coke déposé sur le catalyseur.

L'enveloppe cylindrique interne (3) est centrée selon l'axe de symétrie vertical de la zone de régénération (25). L'enveloppe cylindrique interne (3) est coiffée par une enveloppe externe (1 ) comportant une première paroi sensiblement horizontale (15) et des parois latérales ayant une forme d'abord incurvée (16), puis sensiblement parallèle (17) aux parois verticales de l'enveloppe interne (3).

L'enveloppe externe (1 ) ne forme pas une surface unique recouvrant la totalité de l'enveloppe interne (3) mais, comme le montre la figure (1), est divisée en un certain nombre de secteurs égaux dont la paroi externe ( 15; 16; 17) combinée avec la portion correspondante de la paroi verticale de l'enveloppe interne (3) détermine une chambre de séparation (2).

Une chambre de séparation (2) est donc délimitée par deux parois latérales (22), (22') définissant un secteur. Le nombre de chambres de séparation est compris entre 2 et 6, et sera préférentiellement de 4.

Une chambre de séparation (2) comporte trois zones qu'on peut décrire de la manière suivante dans le sens d'écoulement de la suspension gaz solide:

-une première zone (18) dans laquelle l'écoulement est sensiblement vertical et ascendant,

-une seconde zone dite zone de centrifugation (19) dans laquelle la suspension gaz solide subit un retournement d'environ 180°, et

-une troisième zone verticale descendante (20) qui permet au solide d'être évacué au dehors du dispositif de séparation par les sections de sortie (5) pour rejoindre la partie inférieure de la zone de régénération (25). Cette partie inférieure est principalement occupée par le lit fluidisé dense à l'intérieur duquel s'effectue la réaction de combustion contrôlée du coke déposé sur le catalyseur. Le niveau de ce lit fluidisé dense est inférieur d'au moins un mètre au niveau des sections de sortie (5).

Une chambre de séparation (2) communique dans sa partie supérieure avec la zone cylindrique (18) par l'intermédiaire de la section de passage (4) délimitée d'une part par l'extrémité supérieure de l'enveloppe cylindrique interne (3) et d'autre part par la paroi supérieure (15) et (16) de l'enveloppe externe. Une chambre de séparation (2) communique dans sa partie inférieure avec la zone de régénération (25) par la section de sortie (5) délimitée d'une part par la paroi verticale de l'enveloppe cylindrique interne (3) ou par une paroi voisine de cette dernière mais séparée d'elle (23), (24), et d'autre part par la paroi verticale (17) de l'enveloppe externe (1 ).

Les expressions section d'entrée (4) et section de sortie (5) sont à comprendre au sens de l'écoulement de la suspension gaz solide qui entre dans la zone de centrifugation par la section d'entrée (4), et sort du dispositif de séparation par la section de sortie (5).

Les chambres de séparation (2) sont réparties en chapelles autour de la zone cylindrique verticale (18) définie par l'enveloppe cylindrique interne (3).

Chaque chambre de séparation (2), comporte en sa partie supérieure, une ouverture (6) mettant en communication la partie supérieure de la zone de régénération (25), et avec la zone de centrifugation (19) et permettant au gaz de se désengager alors

que les particules solide de la suspension gaz solide restent à l'intérieur de ladite chambre de séparation en étant dirigées vers la zone verticale descendante (20).

La zone de centrifugation (19) est définie de manière à permettre la mise en rotation dans un plan sensiblement vertical de la suspension gaz solide suivant un angle d'environ 180 degrés par rapport à la verticale.

Les particules solide qui ont un mouvement sensiblement vertical et ascendant à l'entrée de la zone de centrifugation (19) en provenance de la section d'entrée (4), se retrouvent en sortie de la dite zone de centrifugation (19) avec un mouvement sensiblement vertical et descendant qui se prolonge à l'intérieur de la zone verticale descendante (20) jusqu'à la section de sortie des particules (5).

Le désengagement du gaz à travers l'ouverture (6) peut être favorisé par des déflecteurs (7) fixés à la paroi verticale de l'enveloppe interne (3) et muni d'au moins un orifice à leur partie inférieure au voisinage de l'angle formé par ladite partie inférieure et la paroi verticale cylindrique (3). Plus précisément, ces déflecteurs (7) sont situés entre les chambres de séparation (2) tout en permettant le passage des jambes de retour (8) des cyclones (21). Chaque déflecteur (7) a préférentiellement une forme d'aile dirigée vers le haut, l'extrémité supérieur de l'aile étant située à un niveau inférieur au niveau supérieur de l'ouverture latérale (16).

Chaque déflecteur (7) possède une partie inférieure inclinée fixée à la paroi de l'enveloppe cylindrique interne (3), l'angle d'inclinaison étant compris entre 15 et 30 degré par rapport à la verticale. Cette partie inférieure est percée d'au moins un orifice pour permettre l'évacuation du catalyseur qui pourrait éventuellement s'accumuler dans l'angle formé par ladite partie inférieure et la paroi verticale cylindrique (3).

Chaque déflecteur (7) possède une partie supérieure sensiblement verticale située à au moins 150 mm par rapport à la paroi verticale de l'enveloppe cylindrique interne (3).

Les chambres de séparation (2), les déflecteurs (7) et les jambes de retour (8) des cyclones sont au nombre de 2, 4 ou de 6 et forment un ensemble respectant la symétrie selon l'axe vertical (11 ) de la zone de régénération (25).

Préférentiellement le nombre de chambre de séparation sera de 2 ou de 4.

La vitesse de circulation de la suspension gaz solide dans la conduite verticale (18) est généralement comprise entre 5 et 30 m/s et préférentiellement comprise entre 12 et 25 m/s. Les sections d'entrée (4) sont calculées de manière à respecter sensiblement la vitesse de circulation telle qu'elle existe dans la conduite verticale (18). Par exemple, dans l'hypothèse d'un dispositif à 4 chambres de séparation (2), les sections d'entrée (4) auront une valeur sensiblement égale au quart de la section de la conduite verticale (18).

Le rapport de débit massique entre le solide et le gaz est généralement compris entre 2 et 40, et préférentiellement compris entre 4 et 25.

La vitesse de sortie du gaz au niveau des sorties latérales (6) est comprise entre 5 et 20 m/s et préférentiellement comprise entre 5 et 12 m/s.

Une certaine quantité de gaz est également évacuée par les sections de sortie (5). Cette fraction de gaz peut représenter entre 20% et 70% du gaz total, et sa valeur dépend essentiellement du rapport de surface entre les sections (5) et (6).

Le flux de particules solide évacuées par les sections de sortie (5) est généralement compris entre 50 Kg/(m ² .s) et 1500 Kg/(m ² .s), et préférentiellement entre 100 Kg/(m ² .s) et 500 Kg/(m ² .s) pour des particules de catalyseur de FCC standards dont la masse volumique de grain est comprise entre 1500 Kg/m3 et 2000 Kg/m3, et dont le diamètre moyen est compris entre 60 et 80 microns.