Domaine de l'invention

La présente invention concerne un procédé de traitement des gaz de tête de distillation atmosphérique ainsi qu'un dispositif pour la mise en place d'un tel procédé.

Contexte de l'invention

En raison des contraintes environnementales et économiques, les industriels du raffinage sont amenés à mettre en place des systèmes de récupération des gaz émis dans le cadre de leurs opérations.

Les gaz de tête de distillation atmosphérique sont principalement de deux sortes : les gaz dits combustibles, ou fuel gas, et les gaz liquéfiés ou GPL.

Les gaz de tête de distillation atmosphérique ont très peu de pression et sont soit envoyés vers les compresseurs de torche puis vers le réseau fuel gas, soit directement torchés.

Lorsqu'ils sont directement torchés, le brûlage des gaz entraîne une perte économique car des gaz potentiellement valorisâmes sont brûlés. Cela s'accompagne également d'une contribution environnementale négative due au CO2 émis et enfin, entraîne un déficit en terme d'image auprès des riverains lorsque la torche brûle les excédents de gaz.

Lorsqu'ils sont envoyés au réseau fuel gas, ils sont directement consommés au sein de la raffinerie.

Or les GPL contenus dans les gaz de tête de distillation atmosphérique sont des produits valorisâmes sur le marché. Ils recouvrent le propane C3 et le butane C ₄ . Leur utilisation en tant que carburant est intéressante sur le plan environnemental car elle permet de réduire les émissions de CO2. Le GPL étant valorisable, il est par conséquent important d'en récupérer une majeure partie. Il existe donc un intérêt environnemental et économique lié à la récupération des GPL.

Des systèmes permettant le traitement des gaz de raffinerie sont connus. Dans le brevet US 6,428,606 B1 de Membrane Technology and

Research, est décrit un dispositif comprenant des moyens de compression et de condensation de GPL au départ du réseau fuel gas, couplés à des unités de récupération d'hydrogène par l'utilisation de membranes. La demande WO 2007/120490 d'ExxonMobil décrit un principe de récupération de GPL à partir de divers courants grâce à un procédé de récupération à membranes multiples produisant un courant d'hydrogène à haut rendement et à haute pureté et un courant de GPL C3+ à haut rendement avec une faible dépense énergétique.

Il est connu que la récupération de gaz peut être effectuée par l'utilisation d'un solvant plus lourd. Ce qu'on appelle principe d'absorption, consiste à mettre en contact à contre-courant un gaz avec un liquide d'absorption pauvre en constituants valorisâmes. Ce principe est décrit page 201 de l'ouvrage Le raffinage du pétrole -2- Procédés de séparation sous la direction de J.-P. Wauquiez, Editions Technip ; 1998.

Ce principe physique a été appliqué dans le brevet US 2,358,183 où les gaz C3 et C ₄ issus d'une unité de séparation et d'une unité de craquage catalytique sont compressés, condensés et envoyés dans un absorbeur. Le naphta issu de l'unité de séparation est envoyé dans l'absorbeur et une fois enrichi, est envoyé dans l'unité de réformage. L'absorption ici permet l'enrichissement de naphta en C3 et C ₄ mais pas la récupération de ces gaz pour valorisation.

Le principe de l'absorption peut aussi être appliqué à une unité de FCC. Ce principe est relaté page 186 de l'ouvrage Le raffinage du pétrole -3- Procédés de transformation, sous la direction de J.-P. Wauquiez, Editions Technip ;1998. Ce procédé nécessite l'utilisation d'un compresseur de gaz craqués afin de comprimer les gaz du ballon de tête ainsi que de deux absorbeurs pour la récupération des C3 et C ₄ qui ont une composition chimique riche en oléfines.

Ces procédés nécessitent l'utilisation de compresseurs soit au départ du réseau fuel gas soit en tête d'une unité de transformation. En cas de fort dégazage, le compresseur peut être saturé et ne traiter qu'une partie du fuel gas émis. De plus, les pannes de compresseurs peuvent limiter l'efficacité du traitement.

Le brevet RU 2335523 propose que les gaz de tête issus de la première colonne de distillation atmosphérique et de la deuxième colonne de distillation sous vide soient absorbés par une fraction diesel extraite de la seconde colonne. L'absorbeur opère à une pression comprise entre 8 et 9 bar c'est-à- dire à une pression où les C3 et C ₄ restent dans les phases liquides. Tel que décrit, l'utilisation de la fraction diesel comme liquide absorbant nécessite de faire repasser le mélange enrichi au sein de l'unité de distillation atmosphérique.

Le principe de l'absorption est également utilisé dans le document US3907669A, lequel décrit un procédé à faible consommation d'énergie permettant de séparer et récupérer des constituants liquides et gazeux d'une charge. Le procédé décrit consiste à traiter une charge contenant des hydrocarbures liquides et gazeux dans une unité d'absorption dans laquelle la charge est mise en contact à contre courant avec une huile pauvre (« lean oil » en anglais) qui va absorber une partie des constituants gazeux de la charge. Les gaz les plus légers non absorbés dans l'unité d'absorption, comme l'éthane et le méthane, sont récupérés pour être valorisés. Le flux d'huile riche, contenant les constituants liquides de la charge, l'huile pauvre et les constituants gazeux absorbés, sortant de l'unité d'absorption est strippé pour séparer les gaz absorbés contenus dans ce flux. Ces gaz sont ensuite renvoyés à l'entrée de l'unité d'absorption en mélange avec la charge. Le flux liquide strippé récupéré est renvoyé en partie à l'unité d'absorption pour servir d'huile pauvre et en partie vers une unité de fractionnement. Dans cette unité de fractionnement le flux liquide est séparé en un hydrocarbure gazeux liquéfié et un hydrocarbure liquide. L'hydrocarbure liquide est ensuite renvoyé en partie à l'unité d'absorption en mélange avec le flux liquide strippé récupéré pour former l'huile pauvre. Ce procédé traite ainsi une charge contenant à la fois des gaz et des liquides, et nécessite une unité de stripage et une unité de fractionnement en aval de l'unité d'absorption, pour la récupération d'un hydrocarbure absorbant utilisé dans l'unité d'absorption.

Il existe donc un besoin de récupérer des gaz valorisâmes en tête de distillation atmosphérique par la mise en œuvre de procédés simples et nécessitant de faibles coûts de fonctionnements et d'investissements. Résumé de l'invention

Le but de la présente invention est d'obtenir un procédé pratique capable de traiter un effluent gazeux issu de distillation atmosphérique afin de récupérer des GPL valorisâmes.

Pour résoudre le problème, la présente invention fournit un procédé de traitement de gaz contenant des hydrocarbures légers gazeux caractérisé en ce que le gaz issu de distillation atmosphérique est mis en contact avec un hydrocarbure liquide absorbant stabilisé de manière à ce qu'une partie des hydrocarbures légers gazeux présents dans le gaz se dissolvent dans l'hydrocarbure stabilisé pour l'obtention d'un hydrocarbure liquide enrichi en hydrocarbures légers gazeux constitué d'une fraction contenant des C3 et C ₄ .

Par exemple, les hydrocarbures légers gazeux que l'on peut dissoudre dans l'hydrocarbure stabilisé sont les gaz en Cs C ₄ .

Le gaz et l'hydrocarbure liquide absorbant stabilisé sont mis en contact au sein d'une unité d'absorption. Le gaz contient des gaz combustibles ou fuel gas contenant des Ci et C2 et des GPL contenant des C3 et C ₄ .

Avantageusement, le gaz peut contenir, ou être constitué, de 80 à 100% en poids de Ci+C2+C3+C ₄ , par exemple de 85 à 99% en poids, de préférence de 90 à 95% en poids.

A titre d'exemple non limitatif, les teneurs du gaz à traiter en C1/C2 peuvent être de l'ordre de 15% à 60% en poids et les teneurs du gaz à traiter en C3 C ₄ peuvent être de l'ordre de 0,5% à 60% en poids.

Le gaz à traiter peut éventuellement contenir en outre des C ₅ entraînés, en des teneurs très faibles, inférieures à 2 % en poids par rapport au poids total de gaz à traiter.

Ces traces de C ₅ contenues dans le gaz à traiter peuvent éventuellement être également dissoutes dans l'hydrocarbure stabilisé lors du traitement du gaz dans l'unité d'absorption.

Eventuellement, le gaz à traiter peut également contenir un ou plusieurs autres composés gazeux, tels que H ₂ S, en des teneurs inférieures à 2000 ppm poids, N ₂ et CO2, en des teneurs comprises de 1 à 2% poids, et/ou CO en des teneurs inférieures à 0,5% poids.

En particulier, le gaz issu de distillation atmosphérique en charge du procédé de traitement selon l'invention, peut être le gaz contenu dans les effluents d'une colonne de distillation atmosphérique dans laquelle est traitée une charge hydrocarbonée, par exemple un pétrole brut.

Ces effluents sont un mélange constitué d'un hydrocarbure liquide et d'un gaz et éventuellement d'eau, par exemple de l'eau de stripping provenant du strippage dans la colonne de distillation atmosphérique ou de l'eau contenue dans la charge traitée dans la colonne de distillation atmosphérique. Ces effluents sont par exemple récupérés en tête de la colonne de distillation atmosphérique.

Ces effluents sortant de la colonne de distillation atmosphérique sont séparés afin de récupérer l'hydrocarbure liquide et le gaz. Cette séparation est par exemple obtenue au moyen d'un ballon condenseur ou ballon de reflux. Le gaz ainsi séparé et récupéré peut constituer le gaz issu de distillation atmosphérique traité par le procédé selon l'invention.

En sortie de l'unité d'absorption, on récupère ainsi un hydrocarbure liquide enrichi en C3 et C ₄ et du fuel gas (C1/C2) lequel est valorisable.

En outre, l'hydrocarbure liquide enrichi en phase hydrocarbonée légère gazeuse (h) constituée d'une fraction contenant des C3 et C ₄ peut être renvoyé vers la colonne de stabilisation.

L'hydrocarbure liquide absorbant peut être un hydrocarbure issu de distillation atmosphérique d'un pétrole brut. L'hydrocarbure liquide est au moins en partie débarrassé des C3 et C ₄ au sein d'une unité de stabilisation et est selon un aspect préféré de l'invention une essence dans la gamme C5/C10, en particulier ne contenant pas d'oléfines.

L'hydrocarbure liquide peut être au moins en partie débarrassé des C3 et C ₄ lorsqu'il contient moins de 0.5% poids de C3 et moins de 4% poids de C ₄ .

Avantageusement, l'hydrocarbure liquide stabilisé peut contenir moins de

1 % poids de C ₃ /C ₄ .

L'hydrocarbure liquide traité dans l'unité de stabilisation peut être également issu des effluents récupérés en tête d'une colonne de distillation atmosphérique. Cet hydrocarbure liquide peut être par exemple l'hydrocarbure liquide séparé de ces effluents, lequel est stabilisé avant sa mise en contact avec le gaz à traiter séparé des mêmes effluents.

L'unité de stabilisation peut être une colonne de stabilisation ou débutaniseur. Elle peut notamment séparer une coupe de tête constituée de tous les composés plus légers que le butane, y compris celui-ci, d'une coupe de fond appelée essence stabilisée. Cette colonne peut être une colonne à plateaux ou bien une colonne contenant du packing vrac ou structuré, par exemple.

Avantageusement, l'hydrocarbure liquide stabilisé peut être refroidi avant l'entrée dans l'absorbeur, par exemple à une température inférieure à 40°C mais de préférence de l'ordre de 25°C. En effet l'absorption est plus efficace à basse température. Le refroidissement peut être assuré par des refroidisseurs, par exemple des aéroréfrigérants, des échangeurs à eau ou tout autre procédé connu.

Le gaz et l'hydrocarbure liquide (généralement une essence en C5-C10) issus de la distillation atmosphérique peuvent être traités préalablement dans un ballon condenseur ou un ballon de reflux. Ceci permet de séparer le gaz de l'hydrocarbure liquide, le gaz étant ensuite renvoyé à l'unité d'absorption, l'hydrocarbure liquide étant envoyé à l'unité de stabilisation afin de former un hydrocarbure liquide stabilisé qui peut être par la suite introduit dans l'unité d'absorption en tant qu'absorbant.

Le ratio entre le débit d'essence stabilisée et le débit massique de gaz, à l'entrée de l'unité d'absorption, peut être compris entre 5 et 52 pour une récupération au moins en partie des C3 et C _4, préférentiellement entre 12 et 25. Un tel contrôle du ratio à l'entrée de l'unité d'absorption peut permettre d'améliorer le taux de récupération de la phase hydrocarbonée légère contenue dans le gaz à traiter et constituée d'une fraction contenant des C3 et C ₄ .

L'absorption peut être réalisée à des températures de l'ordre de 20 à 50°C, sous une pression de 0,5 à 5 barg, plus particulièrement entre 0,5 et 3 barg.

L'invention concerne également un procédé de traitement des effluents de distillation atmosphérique d'une charge hydrocarbonée, par exemple un pétrole brut, ce procédé comprenant la séparation des effluents en un gaz et un hydrocarbure liquide, par exemple dans un ballon de reflux, cette séparation étant suivie d'un traitement du gaz selon le procédé précédemment décrit Ces effluents sont avantageusement les effluents de tête de la distillation atmosphérique.

Un dispositif de traitement de gaz permettant la récupération de C3 et de C ₄ comprend au moins, une unité de distillation atmosphérique dont sont issus le gaz et l'hydrocarbure liquide ; au moins, un ballon de reflux permettant une première séparation entre le gaz et l'hydrocarbure liquide ; au moins, une unité de stabilisation dans laquelle est stabilisé l'hydrocarbure liquide issu de distillation atmosphérique ; au moins, une unité d'absorption comprenant au moins une zone d'injection de gaz issu de distillation atmosphérique ; et au moins une zone d'injection d'hydrocarbure liquide stabilisé issu de distillation atmosphérique. L'hydrocarbure liquide enrichi en C3 et C ₄ peut être réinjecté en aval du ballon de reflux, pour ensuite être envoyé à l'unité de stabilisation pour extraction des C3 et C ₄ . Selon un autre mode de réalisation, l'hydrocarbure liquide enrichi en C3 et C ₄ peut être réinjecté dans le ballon de reflux pour ensuite être envoyé à l'unité de stabilisation pour extraction des C3 et C ₄ . Brève description des figures

La figure 1 représente un schéma de raffinage sur lequel sont représentés selon l'invention : une unité de distillation atmosphérique 1 , un absorbeur 2, une colonne de stabilisation 3, un ballon de reflux 4, un ballon 5.

La figure 2 représente l'évolution du taux de récupération des GPL dans l'absorbeur 2. Des points expérimentaux sont placés sur les courbes théoriques d'absorption.

Description détaillée des figures

Sur la figure 1 , l'unité de distillation atmosphérique 1 permet de traiter une charge de pétrole brut. La pression de fonctionnement de la distillation atmosphérique est fixée par les conditions de condensation de la coupe gaz et essence en tête de colonne de distillation atmosphérique 1 . En tête de distillation atmosphérique 1 , le mélange c est constitué d'un hydrocarbure liquide a, d'un gaz b et d'eau de stripping ou d'eau contenue dans la charge de la colonne de distillation. Cette eau est évacuée par le robinet de fond j du ballon de reflux.

L'hydrocarbure liquide a est une essence obtenue dans la gamme des C5/C10. L'hydrocarbure liquide a est une essence ne contenant essentiellement pas d'oléfines. Par exemple, la teneur en oléfines est inférieure à 1 % en poids.

Le gaz b est constitué pour une partie au moins d'un gaz combustible ou fuel gas g comprenant en partie des Ci et des C2, et pouvant également contenir de l'hydrogène et des impuretés telles de l'hydrogène sulfuré. La teneur du gaz b en hydrogène est par exemple inférieure à 10% poids et la teneur du gaz b en impuretés, telles de l'hydrogène sulfuré, est par exemple inférieure à 2000ppm poids. La teneur du gaz b en C2 est par exemple de l'ordre de 5% à 40 % en poids. La teneur du gaz b en Ci est par exemple de l'ordre de 5 à 40 % en poids. La teneur en C1 +C2 du gaz b est par exemple de l'ordre de 15 à 60% en poids.

Le gaz b est constitué pour une autre partie au moins de propane C3 et de butane C ₄ . Ces deux gaz constituent les gaz de pétrole liquéfiés i (GPL) et sont valorisâmes. Le ballon de reflux 4 reçoit le mélange c constitué de l'hydrocarbure liquide a et des gaz b qui provient du condenseur de tête de la distillation atmosphérique 1. Les condenseurs de tête de distillation atmosphérique peuvent être des condenseurs aeroréfrigérants ou des condenseurs avec de l'eau de refroidissement. Le ballon de reflux 4 va réaliser la séparation entre les phases gazeuses b et l'hydrocarbure liquide a ainsi que de la phase aqueuse. Le ballon de reflux 4 constitue une réserve de produits liquides pour assurer un débit régulier de reflux et de soutirage.

La colonne de stabilisation 3 va séparer l'hydrocarbure liquide a en hydrocarbure légers gazeux e contenant essentiellement des Ci , C2, C3 et C ₄ et en hydrocarbure liquide absorbant stabilisé d c'est-à-dire débarrassé en partie essentiellement des Ci , C2, C3 et C ₄ . Une essence stabilisée acceptable pour une application selon l'invention est essentiellement dépourvue de C3 et de C ₄ et comprend principalement des hydrocarbures compris entre des C ₅ et des C10 (bornes incluses).

La colonne 5 permet de séparer les gaz de pétrole liquéfiés i (GPL), propanes C3 et butanes C ₄ , des constituants les plus volatils g dits fuel gas constitués essentiellement de méthane Ci et d'éthane C2.

L'absorbeur 2 est un ballon muni d'internes qui permet l'absorption du propane C3 et du butane C ₄ contenus dans le gaz b issu de la distillation atmosphérique 1 par mélange avec l'hydrocarbure liquide absorbant stabilisé d. Les internes de l'absorbeur 2 dits contacteurs peuvent être des plateaux ou préférentiellement du garnissage. L'absorbeur 2 est placé à proximité du ballon de reflux 4 et de la colonne de stabilisation 3. L'installation de l'absorbeur 2 est réalisée sur un piquage existant et peut donc être effectuée en marche.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'unité de distillation atmosphérique 1 présente en tête de colonne un mélange c de gaz b et d'hydrocarbure liquide a. Ce mélange c est injecté dans un ballon de reflux 4. Au sein de ce ballon de reflux 4, le mélange c va être séparé en composé gazeux b et en hydrocarbure liquide a. L'hydrocarbure liquide a est envoyé via une pompe 10 vers la colonne de stabilisation 3.

La colonne de stabilisation 3 va séparer l'hydrocarbure liquide a en hydrocarbures légers gazeux e contenant essentiellement des C3 et C ₄ et marginalement des Ci et C2, et en hydrocarbure liquide absorbant stabilisé d.

L'hydrocarbure léger gazeux e passe par la zone de transfert 15 où il est refroidi par l'échangeur de chaleur 12. L'hydrocarbure léger gazeux e est envoyé vers le ballon 5 au sein duquel sont séparés les gaz de pétrole liquéfiés (GPL) i des constituants les plus volatils g dits fuel gas constitués essentiellement de méthane Ci et d'éthane C2. Les Cs C ₄ i sont ainsi récupérés pour alimenter le pool GPL.

L'hydrocarbure liquide absorbant stabilisé d passe par la zone de transfert 14 où il est réchauffé par l'échangeur de chaleur 11. Le débit de l'hydrocarbure liquide absorbant stabilisé d en entrée d'absorbeur 2 est adapté au débit de dégazage du gaz b en entrée de l'absorbeur 2. Ainsi en fonction de ce débit, une partie de l'hydrocarbure liquide absorbant stabilisé d est soit envoyé vers une unité d'hydrotraitement 16, soit est injecté via la zone d'injection 7 dans la zone supérieure de l'absorbeur 2 constituée de garnissage. Le gaz b est envoyé dans l'absorbeur 2 en dessous du garnissage de l'unité d'absorption 2 par la zone d'injection 6. Une partie de la charge hydrocarbonée légère gazeuse i présente dans le gaz b va se dissoudre dans l'hydrocarbure liquide absorbant stabilisé d pour l'obtention d'un hydrocarbure liquide enrichi en phase hydrocarbonée légère gazeuse h constituée d'une fraction contenant des C3 et C ₄ . Les gaz Ci et C2 g sont envoyés au réseau fuel gas ou à la torche via la zone de sortie 9.

L'hydrocarbure liquide enrichi en C3 et C ₄ h est soutiré en 8 du ballon absorbeur 2. L'hydrocarbure liquide enrichi en phase hydrocarbonée légère gazeuse h constituée d'une fraction contenant des C3 et C ₄ est envoyé, via la ligne de transfert 13, sur la ligne de transfert 17 où cet hydrocarbure liquide enrichi en phase hydrocarbonée légère gazeuse h part vers la pompe 10.

Dans certaines conditions, ponctuellement, il peut arriver que l'hydrocarbure liquide h, lorsqu'il est envoyé sur la ligne de transfert 17 refoule l'hydrocarbure liquide a vers le ballon de reflux 4. L'hydrocarbure liquide h se retrouve alors envoyé vers le fond du ballon de reflux 4. Dans ce cas, d'une part, l'hydrocarbure liquide h apporte des frigories au ballon 4, ce qui permet d'améliorer la récupération de Cs C ₄ , d'autre part, l'entraînement du liquide a fait que la plupart des Cs C ₄ de l'hydrocarbure h part vers la pompe 10.

Exemples

Des analyses du gaz issus de distillation atmosphérique sont réalisées en amont et en aval de l'unité d'absorption 2 de façon à apprécier le taux de récupération des C3, C ₄ et C ₅ . Chaque analyse a été effectuée dans les conditions suivantes :

• Absorbeur à l'arrêt

• Débit de 5t/h d'essence stabilisée

• Débit de 8t/h d'essence stabilisée

• Débit 15 t/h d'essence stabilisée

Exemple 1 : L'absorbeur est à l'arrêt. On relève ainsi logiquement que la composition du gaz (G) est la même à l'entrée qu'à la sortie de l'absorbeur. Exemple 2 : On couple un dégazage de 0,200 t/h avant absorbeur à un débit d'essence stabilisée de 5 t/h. On obtient un taux de récupération de C3 de 99,1 %, de C ₄ de 95% et de C ₅ de 28,2%. Le ratio entre le débit d'essence stabilisée et le débit de gaz (G) à l'entrée de l'unité d'absorption est de 25.

Exemple 3 : on couple un dégazage de 0,230 t/h avant absorbeur à un débit d'essence stabilisée de 8 t/h. On obtient un taux de récupération de C3 de 99 %, de C ₄ de 96, 1 % et de C ₅ de 36 %. Le ratio entre le débit d'essence stabilisée et le débit de gaz (G) à l'entrée de l'unité d'absorption est de 34,8.

Exemple 4 : on couple un dégazage de 0,290 t/h avant absorbeur à un débit d'essence stabilisée de 1 5 t/h. On obtient un taux de récupération de C3 de 99,2 %, de C ₄ de 96,2 % et de C ₅ de 69,7 %. Le ratio entre le débit d'essence stabilisée et le débit de gaz (G) à l'entrée de l'unité d'absorption est de 51 ,7.

Sur le graphique 3, on peut suivre par extrapolation l'évolution du taux de récupération des GPL dans l'absorbeur. Pour être efficace, c'est-à-dire permettre un taux de récupération de quasiment 100% des GPL, le débit d'essence stabilisée doit être augmenté lorsque le taux de dégazage est plus important, comme c'est le cas lorsque les températures extérieures sont plus élevées. A l'inverse, un faible taux de dégazage permet de consommer moins d'essence stabilisée et donc de réaliser des économies d'énergie.

D'une manière générale, le ratio entre le débit d'essence stabilisée et le débit de gaz (G) à l'entrée de l'unité d'absorption est compris entre 12 et 52 pour une récupération au moins en partie des C3 et C _4, préférentiellement entre 12 et 25.

Comme on l'a décrit ci-dessus, le procédé de traitement de gaz contenant des hydrocarbures légers gazeux a les avantages suivants :

- Le rendement de récupération des C3 et des C ₄ est quasiment de 100%

- Cette récupération limite les rejets à la torche et permet une valorisation des produits ainsi récupérés

- L'installation du ballon absorbeur est réalisée sur un piquage existant et peut être donc être effectuée en marche - Le procédé est simple et permet d'éviter une maintenance coûteuse dû à des problèmes mécaniques de compresseurs.

- La mise en place d'un ballon absorbeur et des lignes d'alimentation et de sortie est une réalisation très économique