CA1336178C - Procede de transformation d'huiles lourdes contenant des asphaltenes - Google Patents
Procede de transformation d'huiles lourdes contenant des asphaltenesInfo
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Abstract
L'invention concerne un procédé de traitement d'une huile lourde de pétrole renfermant des asphaltènes dans le but de produire un brut synthétique. Selon l'invention, on divise la charge (ayant été éventuellement soumise au préalable à un dessalage et étêtage ) en au moins une première partie et une seconde partie, on soumet la seconde partie à une hydropyrolyse (viscoréduction) suivie d'un désasphaltage et on remélange ladite première partie avec l'huile désasphaltée obtenue après l'hydropyrolyse et le désasphaltage de la seconde partie. Applications au transport d'huiles lourdes et à la production de bitumes.
Description
L'invention concerne le traitement d'une huile lourde, notamment sur champ de production, avec le double objectif d'en réduire la viscosité afin de la rendre transportable et de lui conserver, si possible en les améliorant, ses qualités de base pour qu'elle puisse etre utilisée pour la production de bitumes routiers ou autres bitumes industriels.
Les huiles lourdes et surtout les huiles extra-lourdes telles celles issues des gisements de l'Athabasca au Canada ou de la ceinture pétroliere de l'Orenoque au Venézuela sont trop visqueuses pour etre transportables sans intervention préalable. De nombreuses méthodes ont été préconisées pour abaisser leur viscosite au-dessous des valeurs requises par les specifications des oleoducs dans les pays considérés :
- chauffage de l'huile et de l'oléoduc - addition d'un hydrocarbure de faible viscosite, par exemple essence ou gas-oll - formation d'une emulsion stable dans l'eau - raffinage de l'huile considérée impliquant soit un craquage des fractions lourdes en fractions plus legeres avec une reduction concomittante de la viscosite, soit une extraction des fractions les plus lourdes et les plus visqueuses par désasphaltage, soit la juxtaposition de ces deux types de traitements.
Parmi ces diverses méthodes, le chauffage peut s'envisager lorsque la distance de transfert est courte. L'abaissement de la
Les huiles lourdes et surtout les huiles extra-lourdes telles celles issues des gisements de l'Athabasca au Canada ou de la ceinture pétroliere de l'Orenoque au Venézuela sont trop visqueuses pour etre transportables sans intervention préalable. De nombreuses méthodes ont été préconisées pour abaisser leur viscosite au-dessous des valeurs requises par les specifications des oleoducs dans les pays considérés :
- chauffage de l'huile et de l'oléoduc - addition d'un hydrocarbure de faible viscosite, par exemple essence ou gas-oll - formation d'une emulsion stable dans l'eau - raffinage de l'huile considérée impliquant soit un craquage des fractions lourdes en fractions plus legeres avec une reduction concomittante de la viscosite, soit une extraction des fractions les plus lourdes et les plus visqueuses par désasphaltage, soit la juxtaposition de ces deux types de traitements.
Parmi ces diverses méthodes, le chauffage peut s'envisager lorsque la distance de transfert est courte. L'abaissement de la
- 2 - 1 3 3 6 1 7 8 viscosité par ajôut d'une coupe d'hydrocarbures plus légers requiert de disposer de telles coupes sur le champ de production. La formation d'émulsions nécessite d'ajouter environ 30 % d'eau qu'il faut transporter ; de plus, il faut ajouter les surfactants adequats pour que l'emulsion soit stable et il faut enfin briser cette emulsion a l'entree de la raffinerie, ce qui est d'autant plus difficile que l'emulsion est plus stable.
Le raffinage de l'huile sur champ de production presente par rapport aux solutions precedentes certains avantages, mais aussi certains inconvenients dans la mesure ou les traitements pratiques ne sont pas convenablement choisis. Au registre des avantages, il faut mentionner l'amelioration de la qualite de l'huile en termes de viscosite, de densite, de teneur en impuretes, qui lui confere une plus-value en rapport avec le niveau d'amelioration realise. Au registre des inconvenients, il faut citer le cout des investissements, - le rejet possible d'un residu solide (coke ou brai) et, s'il n'y a pas de rejet, la modification profonde et generalement degradante du brut synthetique et plus particulierement de ses fractions les plus lourdes. Ce dernier inconvenient est particulierement penalisant lorsque l'huile lourde que l'on cherche a transporter est destinee a la fabrication de bitumes routiers ou encore plus a la fabrication de bitumes utilises dans l'industrie du bâtiment (isolation et etancheite). En effet, on sait que les résidus de ces huiles lourdes offrent généralement une composition en asphaltenes et maltenes et plus précisément en asphaltenes et résines qui leur conferent des qualités exceptionnelles dans la fabrication de bitumes, tant qu'ils n'ont pas subi de degradations thermiques irréversibles susceptibles de détruire leurs propriétés physico-chimiques, rhéologiques et mecaniques (point de ramollissement, viscosite, resistance a la penetration, au cisaillement, caractéristiques de souplesse et de fragilite a froid (Point de Fraas, de ductilité, resistance au vieillissement), c'est-a-dire l'ensemble des proprietes qui font d'un résidu donné une bonne base pour bitumes.
Etat de la technique Dans le brevet US 3 474 596, il est propose de rendre un petrole brut transportable en traitant, par viscoreduction, une partie aliquote de ce brut avant de la melanger a la partie complementaire non traitee en vue d'obtenir un produit transportable. Le seul traitement effectue est un traitement purement thermique et l'objectif vise est uniquement de rendre l'huile transportable sans chercher a conserver ou a ameliorer les qualites du petrole brut considere en vue de la production de bitume.
Le brevet US 4 683 005 decrit egalement un schema de raffinage visant a la production de mélanges de residus atmospheriques d'huiles lourdes vierges avec des residus sous vide (524 C+) d'hydrocraquage en vue de constituer une base destinee a la production de bitumes routiers. Dans ce cas, l'objectif transport n'est pas pris en consideration ; de plus, la fraction craquee n'est pas issue du même petrole brut ou melange de petroles bruts que la fraction non craquee et elle n'est pas soumise a une operation de desasphaltage.
D'autres schemas de procedes proposent d'enchainer une operation d'hydrocraquage et une operation de desasphaltage en vue de produire un asphalte dur et une huile desasphaltee a partir des charges lourdes les plus diverses (black oils). C'est le cas du schema decrit dans le brevet US 3 723 297 ou l'etape d'hydrocraquage est realisee en presence de sulfures de nickel et de vanadium non supportes. Le schema evoque ne vise cependant ni a rendre une huile lourde transportable, ni a preparer une base pour bitumes par melange de la fraction craquee et desasphaltee avec une fraction aliquote non traitee.
L'objet de l'invention consiste precisement en un procede de traitement economique des huiles lourdes contenant des asphaltenes, applicable sur le champ de production, de facon a les rendre transportables tout en leur conservant les proprietes essentielles requises pour qu'elles puissent être utilisées dans la fabrication de bitumes divers, dont les bitumes routiers.
Description de l'invention Selon la présente invention, il est prévu un procédé de traitement d'une huile lourde de pétrole renfermant des asphaltènes dans le but de produire un brut synthétique transportable et pouvant fournir une excellente base pour la production de bitumes et dont la teneur globale en soufre et métaux est réduite par rapport au brut de départ, le procédé consistant à diviser la charge en au moins une première partie et une seconde partie, à soumettre la seconde partie à une hydropyrolyse (ou hydroviscoréduc-tion) suivie d'un désasphaltage, et à remélanger la premièrepartie avec l'huile désasphaltée obtenue après l'hydropyrolyse et le désasphaltage de la seconde partie.
Les valeurs respectives de la première et seconde fractions sont ajustées pour que la viscosité du mélange final permette son transport par oléoduc, selon les normes du pays considéré. De plus, par rapport à l'huile lourde initiale, le brut synthétique obtenu conserve au moins en large partie les qualités requises pour être utilisé dans la production de bitumes; compte-tenu de l'accroissement du rapport pondéral résines/asphaltes dans le brut synthétique par rapport à l'huile de départ, ses qualités de brut à
bitumes s'en trouvent même améliorées. A ces deux avantages, il faut ajouter que le brut synthétique est plus léger et moins chargé en soufre et en métaux, ce qui lui confère une plus-value commerciale non négligeable.
Conformément à un mode particulier de mise en oeuvre de l'invention, les gaz incondensables issus de l'hydrovisco-réduction catalytique sont utilisés pour produire le gaz hydrogène consommé dans cette même unité. Quant aux A
4a 1 3361 78 asphaltes très durs issus de l'opération de désasphaltage, ils peuvent être utilisés sur place pour la production de vapeur nécessaire à l'exploitation du champ.
La figure donne une description globale du schéma de procédé selon l'invention. L'huile lourde (Fj), après mélange avec une fraction légère, par exemple 250C- (3) pour en réduire la viscosité est dessalée en 1 puis distillée (ou étêtée) en 2; la fraction de tête non recyclée (Fo) est ,: ~
atmosphérique est divisé en 2 fractions Fl et F2 dans les proportions x et tl - x). Il peut varier de 0,1 a 0,9, de préférence de 0,3 a 0,7. La fraction Fl ne subit aucun traitement de conversion et est évacuée par la ligne 6- La fraction F2 passe par la ligne 7 et, apres mélange avec de l'hydrogene sous pression issu de la ligne 8, et éventuellement de catalyseur issu de la ligne 9, subit une opération de viscoréduction (hydropyrolyse ou craquage ou hydrocraquage) dans le four 10, visant a réduire d'un facteur de, par exemple, 20 a 100 la viscosite de la charge. A l'issue de cette operation de craquage, le proauii est distille dans la colonne 11 ou l'on separe un distillat atmospherique F2' (350 C ) evacue par la ligne 12 et un residu atmospherique evacue par la ligne 13 (F2''). Ce dernier residu (F2 " ) est melange au solvant de desasphaltage issu de la ligne 14 et desasphalte dans le contacteur 15 pour donner un asphalte dur (F5) evacue par la ligne 16, et une huile desasphaltee (F3, ligne 17) remelangee au distillat F2', pour donner en 18 le flux F4. Les flux Fo~ Fl, F4 issus des canalisations 4, 6 et 18 sont finalement melanges pour donner le brut synthetique (Fs) de la ligne 19.
Le craquage ou hydrocraquage ou encore craquage hydrogênant (c'est-a-dire l'hydroviscoreduction ou l'hydropyrolyse) effectue en zone 10 peut être thermique ou de preference catalytique. On peut operer en presence de quantites mineures d'un catalyseur a base de sulfures colloSdaux du groupe VI A ou (et) de la premiere ligne du groupe VIII de la classification periodique. Le catalyseur pourra, par exemple, être un melange d'un sel mineral de fer avec un charbon bitumineux ou sub-bitumineux de rapport C/H compris entre 14 et 17.
Les precurseurs de ces catalyseurs seront de preférence des sels ou des complexes organiques de metaux solubles dans la charge. La quantite de catalyseur ajoutee exprimee en parties de metaux par millions de parties en poids de la charge sera avantageusement comprise entre 10 et 500, et de preference entre 25 et 200. La pression totale appliquee sera avantageusement comprise entre 1 et 20 MPa, et de préférence entre 8 et 15 MPa pour une pression partielle d'hydrogene comprise entre 0,7 et 18 MPa et de préférence entre 7 et 13 MPa. La température de l'opération de craquage sera avantageusement comprise entre 400 C et 490 C, et de préférence entre 420 et 450 C, pour des temps de résidence exprimés en volume de charge introduite rapporté au volume réactionnel avantageusement compris entre 0,1 et 4 h, et de préférence entre 0,4 et 1 h. L'opération de craquage peut être réalisée dans un seul réacteur ou de préférence dans 2 ou 3 réacteurs successifs entre lesquels s'effectue une trempe â
l'hydrogene de l'effluent issu du réacteur en amont. Ces conditions opératoires permettent pour la majeure partie des huiles lourdes de réaliser une conversion du résidu atmosphérique 350 C en fraction distillable comprise entre 20 et 70 % poids, et de préférence entre 30 et 50 % poids.
A la sortie de l'étape de craquage ou hydrocraquage (hydroviscoréduction ou hydropyrolyse), l'effluent est distillé, soit dans une simple colonne atmosphérique, soit dans une colonne atmosphérique suivie d'une colonne sous vide, et le résidu atmosphé-rique ou sous vide est soumis â l'opération de désasphaltage dans lecontacteur 15 en présence d'un solvant de désasphaltage qui peut être, par exemple, un mélange de butanes (et/ou butenes), un mélange de pentanes (et/ou pentènes), ou un mélange d'hydrocarbures a 4 et 5 atomes de carbone. Les conditions opératoires et le type d'équipement utilisables dans cette unité de désasphaltage sont, de préférence, ceux décrits dans le brevet francais n 2 579 985.
Quelle que soit l'huile lourde traitée, un tel schéma permet simultanément :
- d'obtenir un excellent rendement en volume d'un brut synthétique, stable et transportable - d'obtenir un brut synthétique moins dense et moins riche en métaux, soufre et sédiments - d'obtenir un brut synthétique qui conserve d'excellentes qualités en tant que base pour bitumes.
Selon les caracteristiques du brut, et selon les specifications requises pour le transport, on ajustera les proportions d'huile hydrocraquee et d'huile non modifiee, x et 1 - x ; on pourra egalement faire varier la severite de l'operation d'hydrocraquage pour accroitre le taux de conversion (temperature et temps de residence accrus) et la severite de l'operation de desasphaltage (nature du solvant et taux de solvant) pour ajuster la viscosite de l'huile desasphaltee entrant comme diluant dans la constitution du brut synthetique.
10Lorsque le brut synthetique est destine a la production de bitumes, il est distille a l~issue du transport. Le point de coupe est -ajuste de maniere a ce que le residu obtenu puisse répondre aux specifications recherchees en termes de point de ramollissement, de -pénetration et de ductilite. Le tableau 1 rassemble les valeurs requises pour ces trois proprietes dans le cas de quelques types de bases pour bitumes utilisees dans l'industrie.
Type 85-100 120-150 150-200 Méthode Mini Maxi Mini Maxi Mini Maxi Penetration 25 C 85 100 120 150 150 200 ASTM D5 1/10 mm, 100 9, 5 s Point d'eclair 230 - 220 - 220 - ASTM D92 ( o C ) Ductilite 100 100 100 ASTM D113 25 C (cm) Pour ajuster aux valeurs requises les specifications des bases pour bitumes, on peut egalement les soumettre à une oxydation menagee dont la sevérite dependra des qualites rheologiques et mecaniques que l'on desire obtenir.
Exemples Dans les exemples qui suivent, les tests de determination de la teneur en asphaltenes ont ete les suivants :
C7 asphaltenes : asphaltenes precipites par l'heptane normal (50 C) - 2 etapes avec des rapports solvant/huile (S/H) de 20, puis 10 en volumes.
C5 asphaltenes : asphaltenes precipites au n-pentane en auto-clave - precipitation (S/H = 5 ; T = 180 C ; P = 4,5 MPa) suivie de deux lavages (S/H = 3 ; T = 160 C ; P = 4,5 MPa).
A noter que les "C5 asphaltenes~ renferment non seulement des asphaltenes, mais aussi des resines qui precipitent au pentane.
Exemple 1 Un echantillon de 10 tonnes d'huile lourde Cold Lake est soumis a un traitement similaire a celui preconise dans la figure. Les debits ponderaux relatifs et les caracteristiques essentielles des flux Fj, Fo~ Fl, F2, F2', F2 " , F3, F5, FS sont presentes dans le tableau 2.
Dans le tableau 3, on trouve les caracteristiques des residus 490 C , 510 C~ et 530 C+ qui peuvent être generes a partir du brut transportable Es (respectivement Rl, R2 et R3). Dans cet exemple precis, les pourcentages respectifs x et 1 - x de Fl et F2 etaient egaux a 50 % en poids. Les conditions operatoires de l'hydrocraquage (hydroviscoreduction) en 10 etaient les suivantes :
temps de residence : 30 minutes temperature moyenne : 436 C
pression totale : 110 bars H2/hydrocarbures : 200 m3/m3 (T P N) precurseur catalytique : 70 p.p.m,exprimees en termes de parties en poids de molybdene par rapport a la charge. Le precurseur est une solution a 1 % de molybdene solubilise sous forme d'acide phosphomolybdique dans une solution organique a base de 2 volumes d'alcool isopropylique et 8 volumes d'un residu atmospherique. Le volume du reacteur d'hydropyrolyse utilise dans l'experimentation etait de 20 litres.
Quant aux conditions de l'operation de desasphaltage du residu atmospherique issu de la distillation de l'effluent liquide de l'hydrocraquage, elles etaient les suivantes :
solvant : coupe C5 de composition suivant en poids iC4 + nC4 : 4,7 %
iC5 : 47,3 nC5 : 42,8 C5+ : 5,2 Le desasphaltage a ete realise en continu, dans une colonne a contre courant, a raison de 15 l/h de charge sous une pression de 4,5 MPa. Les temperatures en fond de colonne et en tête de colonne étaient respectivement de 175 C et de 197 C. Le taux de solvant mis en oeuvre etait de 4,8/1 en termes de volume de solvant par volume de charge.
A l'issue de l'experimentation, les flux Fo~ Fl, et F4 etaient remelanges pour constituer le brut synthetique Fs. Le brut synthetique Fs etait alors soumis a une distillation atmospherique, puis a une - lo - 1 3361 78 distillation sous vide en vue d'obtenir le résidu sous vide utilise comme base de bitume. 3 echantillons de residu ont ete préparés : Rl ;
R2 et R3, correspondant a des températures équivalentes de fond de colonne de 490 C, 510 C et 530 C respectivement, dont les proprié-tés comme bases de bitumes ont été étudiees. Les caracteristiques deces trois produits sont presentées dans le tableau 3.
Exemple 2 Un échantillon de 2 tonnes d'huile lourde vénézuelienne de type Cerro Negro est soumis a un traitement similaire a celui préconisé
dans la figure 1. Les conditions opératoires appliquées pour chacune des étapes sont identiques a celles de l'exemple 1, hormis le fait que les flux Fl et F2 ne sont plus identiques, mais se partagent selon les 15proportions suivantes : Fl = 40 % ; F2 = 60 %. En effet, les spécifi-cations de viscosité requises pour le transport en oléoduc sont moins severes au Venezuela qu'au Canada, et il n'est pas necessaire d'utiliser autant de fraction legere que dans le cas du brut Cold Lake (Venezuela : 400 cSt a 37,8 C ; Canada : 120 cSt a 20 C). 1 cSt =
1 mm /s. Par contre, la distillation du brut synthetique a eté
réalisee a temperature plus basse : 440 C, 460 C, 480 C, pour obtenir les trois residus R4, R5 et R6 susceptibles d'etre utilises en tant que base pour la fabrication de bitumes. Les resultats correspondants sont presentes dans les tableaux 4 et 5.
Exemple 3 Un echantillon de 2 tonnes d~huile lourde Cold Lake est soumis au traitement decrit dans l'exemple 1. La seule difference tient a ce que le catalyseur utilise n'est plus du molybdene, mais du fer injecte dans la charge sous forme d'une solution d'un melange d'octoate de fer et de triethy Laluminium a raison de 100 p.p.m de fer pour 120 p.p.m d'aluminium. Le tableau 6 resume les resultats obtenus ; le fer et l'aluminium, comme precedemment le molybdene, se retrouvent en fin de traitement concentres dans l'asphalte dur. Le residu R7 est obtenu pour un point final de distillation equivalent a 490 C.
" 1336178 Exemple 4 Un échantillon de 10 tonnes d'huile lourde Cold Lake est soumis a un traitement similaire a celui de l'exemple 1, hormis l'etape d'hydropyrolyse qui est realisée en présence d'un catalyseur pulvérulent a base de fer introduit sous forme de sulfate mélangé a une quantité égale de charbon de Freyming ayant un rapport C/H égal a 15,4 et contenant 1,9 % d'eau et 7,4 % de cendres. La quantite de substance solide injectée correspondait a 1 kg de fer par tonne de charge. Les conditions opératoires de l'opération d'hydropyrolyse étaient les suivantes :
temps de résidence : 30 minutes température moyenne : 446 C
pression totale : 15 MPa H2/hydrocarbures : 350 m3/m3 Les autres conditions restaient inchangées par rapport a l'exemple 1. Les resultats globaux de l'operation sont présentés dans le tableau 6. Le residu R8 est obtenu pour un point final de distillation equivalent a 490 C.
Exemple 5 Un echantillon de 2 tonnes d'huile Cold Lake est soumis a un traitement similaire aux traitements precedents, hormis l'etape d'hydropyrolyse qui est realisee en absence de catalyseur, mais dans des conditions de pression nettement plus severes :
temps de residence : 30 minutes temperature moyenne : 435 C
pression totale : 210 MPa H2/hydrocarbures : 350 m3/m3 12 ~ 336 1 78 Les résultats globaux sont presentes dans le tableau 5. Le residu Rg est obtenu pour un point de distillation equivalent a 480 C.
Exemple 6 (comparaison) On traite un echantillon de 2 tonnes de Cold Lake, mais la fraction x du flux Fg est supprimee, c'est-a-dire que tout le residu de distillation est soumis a un traitement d'hydroviscoreduction catalytique dans des conditions necessaires pour rendre l'ensemble du brut synthetique obtenu transportable, a savoir :
temps de résidence : 30 minutes temperature moyenne : 445 C
pression totale : 15 MPa H2/hydrocarbures : 200 m3/m3 (TPN) precurseur catalytique : 100 ppm (exprimee en termes de parties en poids de molybdene par rapport a la charge).
Le brut synthetique obtenu a une densité de 24 cSt et une densite egale a 0~961 ; le rendement en poids est egal a 95 % et le rendement en volume a 99 %. Apres distillation de ce "syncrude", les residus obtenus, quelles que soient leurs caracteristiques de penetration, voient leur caracteristiques de ductilite a 25 C tomber entre 4 et 40, valeurs insuffisantes pour constituer une base de bitumes.
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Le raffinage de l'huile sur champ de production presente par rapport aux solutions precedentes certains avantages, mais aussi certains inconvenients dans la mesure ou les traitements pratiques ne sont pas convenablement choisis. Au registre des avantages, il faut mentionner l'amelioration de la qualite de l'huile en termes de viscosite, de densite, de teneur en impuretes, qui lui confere une plus-value en rapport avec le niveau d'amelioration realise. Au registre des inconvenients, il faut citer le cout des investissements, - le rejet possible d'un residu solide (coke ou brai) et, s'il n'y a pas de rejet, la modification profonde et generalement degradante du brut synthetique et plus particulierement de ses fractions les plus lourdes. Ce dernier inconvenient est particulierement penalisant lorsque l'huile lourde que l'on cherche a transporter est destinee a la fabrication de bitumes routiers ou encore plus a la fabrication de bitumes utilises dans l'industrie du bâtiment (isolation et etancheite). En effet, on sait que les résidus de ces huiles lourdes offrent généralement une composition en asphaltenes et maltenes et plus précisément en asphaltenes et résines qui leur conferent des qualités exceptionnelles dans la fabrication de bitumes, tant qu'ils n'ont pas subi de degradations thermiques irréversibles susceptibles de détruire leurs propriétés physico-chimiques, rhéologiques et mecaniques (point de ramollissement, viscosite, resistance a la penetration, au cisaillement, caractéristiques de souplesse et de fragilite a froid (Point de Fraas, de ductilité, resistance au vieillissement), c'est-a-dire l'ensemble des proprietes qui font d'un résidu donné une bonne base pour bitumes.
Etat de la technique Dans le brevet US 3 474 596, il est propose de rendre un petrole brut transportable en traitant, par viscoreduction, une partie aliquote de ce brut avant de la melanger a la partie complementaire non traitee en vue d'obtenir un produit transportable. Le seul traitement effectue est un traitement purement thermique et l'objectif vise est uniquement de rendre l'huile transportable sans chercher a conserver ou a ameliorer les qualites du petrole brut considere en vue de la production de bitume.
Le brevet US 4 683 005 decrit egalement un schema de raffinage visant a la production de mélanges de residus atmospheriques d'huiles lourdes vierges avec des residus sous vide (524 C+) d'hydrocraquage en vue de constituer une base destinee a la production de bitumes routiers. Dans ce cas, l'objectif transport n'est pas pris en consideration ; de plus, la fraction craquee n'est pas issue du même petrole brut ou melange de petroles bruts que la fraction non craquee et elle n'est pas soumise a une operation de desasphaltage.
D'autres schemas de procedes proposent d'enchainer une operation d'hydrocraquage et une operation de desasphaltage en vue de produire un asphalte dur et une huile desasphaltee a partir des charges lourdes les plus diverses (black oils). C'est le cas du schema decrit dans le brevet US 3 723 297 ou l'etape d'hydrocraquage est realisee en presence de sulfures de nickel et de vanadium non supportes. Le schema evoque ne vise cependant ni a rendre une huile lourde transportable, ni a preparer une base pour bitumes par melange de la fraction craquee et desasphaltee avec une fraction aliquote non traitee.
L'objet de l'invention consiste precisement en un procede de traitement economique des huiles lourdes contenant des asphaltenes, applicable sur le champ de production, de facon a les rendre transportables tout en leur conservant les proprietes essentielles requises pour qu'elles puissent être utilisées dans la fabrication de bitumes divers, dont les bitumes routiers.
Description de l'invention Selon la présente invention, il est prévu un procédé de traitement d'une huile lourde de pétrole renfermant des asphaltènes dans le but de produire un brut synthétique transportable et pouvant fournir une excellente base pour la production de bitumes et dont la teneur globale en soufre et métaux est réduite par rapport au brut de départ, le procédé consistant à diviser la charge en au moins une première partie et une seconde partie, à soumettre la seconde partie à une hydropyrolyse (ou hydroviscoréduc-tion) suivie d'un désasphaltage, et à remélanger la premièrepartie avec l'huile désasphaltée obtenue après l'hydropyrolyse et le désasphaltage de la seconde partie.
Les valeurs respectives de la première et seconde fractions sont ajustées pour que la viscosité du mélange final permette son transport par oléoduc, selon les normes du pays considéré. De plus, par rapport à l'huile lourde initiale, le brut synthétique obtenu conserve au moins en large partie les qualités requises pour être utilisé dans la production de bitumes; compte-tenu de l'accroissement du rapport pondéral résines/asphaltes dans le brut synthétique par rapport à l'huile de départ, ses qualités de brut à
bitumes s'en trouvent même améliorées. A ces deux avantages, il faut ajouter que le brut synthétique est plus léger et moins chargé en soufre et en métaux, ce qui lui confère une plus-value commerciale non négligeable.
Conformément à un mode particulier de mise en oeuvre de l'invention, les gaz incondensables issus de l'hydrovisco-réduction catalytique sont utilisés pour produire le gaz hydrogène consommé dans cette même unité. Quant aux A
4a 1 3361 78 asphaltes très durs issus de l'opération de désasphaltage, ils peuvent être utilisés sur place pour la production de vapeur nécessaire à l'exploitation du champ.
La figure donne une description globale du schéma de procédé selon l'invention. L'huile lourde (Fj), après mélange avec une fraction légère, par exemple 250C- (3) pour en réduire la viscosité est dessalée en 1 puis distillée (ou étêtée) en 2; la fraction de tête non recyclée (Fo) est ,: ~
atmosphérique est divisé en 2 fractions Fl et F2 dans les proportions x et tl - x). Il peut varier de 0,1 a 0,9, de préférence de 0,3 a 0,7. La fraction Fl ne subit aucun traitement de conversion et est évacuée par la ligne 6- La fraction F2 passe par la ligne 7 et, apres mélange avec de l'hydrogene sous pression issu de la ligne 8, et éventuellement de catalyseur issu de la ligne 9, subit une opération de viscoréduction (hydropyrolyse ou craquage ou hydrocraquage) dans le four 10, visant a réduire d'un facteur de, par exemple, 20 a 100 la viscosite de la charge. A l'issue de cette operation de craquage, le proauii est distille dans la colonne 11 ou l'on separe un distillat atmospherique F2' (350 C ) evacue par la ligne 12 et un residu atmospherique evacue par la ligne 13 (F2''). Ce dernier residu (F2 " ) est melange au solvant de desasphaltage issu de la ligne 14 et desasphalte dans le contacteur 15 pour donner un asphalte dur (F5) evacue par la ligne 16, et une huile desasphaltee (F3, ligne 17) remelangee au distillat F2', pour donner en 18 le flux F4. Les flux Fo~ Fl, F4 issus des canalisations 4, 6 et 18 sont finalement melanges pour donner le brut synthetique (Fs) de la ligne 19.
Le craquage ou hydrocraquage ou encore craquage hydrogênant (c'est-a-dire l'hydroviscoreduction ou l'hydropyrolyse) effectue en zone 10 peut être thermique ou de preference catalytique. On peut operer en presence de quantites mineures d'un catalyseur a base de sulfures colloSdaux du groupe VI A ou (et) de la premiere ligne du groupe VIII de la classification periodique. Le catalyseur pourra, par exemple, être un melange d'un sel mineral de fer avec un charbon bitumineux ou sub-bitumineux de rapport C/H compris entre 14 et 17.
Les precurseurs de ces catalyseurs seront de preférence des sels ou des complexes organiques de metaux solubles dans la charge. La quantite de catalyseur ajoutee exprimee en parties de metaux par millions de parties en poids de la charge sera avantageusement comprise entre 10 et 500, et de preference entre 25 et 200. La pression totale appliquee sera avantageusement comprise entre 1 et 20 MPa, et de préférence entre 8 et 15 MPa pour une pression partielle d'hydrogene comprise entre 0,7 et 18 MPa et de préférence entre 7 et 13 MPa. La température de l'opération de craquage sera avantageusement comprise entre 400 C et 490 C, et de préférence entre 420 et 450 C, pour des temps de résidence exprimés en volume de charge introduite rapporté au volume réactionnel avantageusement compris entre 0,1 et 4 h, et de préférence entre 0,4 et 1 h. L'opération de craquage peut être réalisée dans un seul réacteur ou de préférence dans 2 ou 3 réacteurs successifs entre lesquels s'effectue une trempe â
l'hydrogene de l'effluent issu du réacteur en amont. Ces conditions opératoires permettent pour la majeure partie des huiles lourdes de réaliser une conversion du résidu atmosphérique 350 C en fraction distillable comprise entre 20 et 70 % poids, et de préférence entre 30 et 50 % poids.
A la sortie de l'étape de craquage ou hydrocraquage (hydroviscoréduction ou hydropyrolyse), l'effluent est distillé, soit dans une simple colonne atmosphérique, soit dans une colonne atmosphérique suivie d'une colonne sous vide, et le résidu atmosphé-rique ou sous vide est soumis â l'opération de désasphaltage dans lecontacteur 15 en présence d'un solvant de désasphaltage qui peut être, par exemple, un mélange de butanes (et/ou butenes), un mélange de pentanes (et/ou pentènes), ou un mélange d'hydrocarbures a 4 et 5 atomes de carbone. Les conditions opératoires et le type d'équipement utilisables dans cette unité de désasphaltage sont, de préférence, ceux décrits dans le brevet francais n 2 579 985.
Quelle que soit l'huile lourde traitée, un tel schéma permet simultanément :
- d'obtenir un excellent rendement en volume d'un brut synthétique, stable et transportable - d'obtenir un brut synthétique moins dense et moins riche en métaux, soufre et sédiments - d'obtenir un brut synthétique qui conserve d'excellentes qualités en tant que base pour bitumes.
Selon les caracteristiques du brut, et selon les specifications requises pour le transport, on ajustera les proportions d'huile hydrocraquee et d'huile non modifiee, x et 1 - x ; on pourra egalement faire varier la severite de l'operation d'hydrocraquage pour accroitre le taux de conversion (temperature et temps de residence accrus) et la severite de l'operation de desasphaltage (nature du solvant et taux de solvant) pour ajuster la viscosite de l'huile desasphaltee entrant comme diluant dans la constitution du brut synthetique.
10Lorsque le brut synthetique est destine a la production de bitumes, il est distille a l~issue du transport. Le point de coupe est -ajuste de maniere a ce que le residu obtenu puisse répondre aux specifications recherchees en termes de point de ramollissement, de -pénetration et de ductilite. Le tableau 1 rassemble les valeurs requises pour ces trois proprietes dans le cas de quelques types de bases pour bitumes utilisees dans l'industrie.
Type 85-100 120-150 150-200 Méthode Mini Maxi Mini Maxi Mini Maxi Penetration 25 C 85 100 120 150 150 200 ASTM D5 1/10 mm, 100 9, 5 s Point d'eclair 230 - 220 - 220 - ASTM D92 ( o C ) Ductilite 100 100 100 ASTM D113 25 C (cm) Pour ajuster aux valeurs requises les specifications des bases pour bitumes, on peut egalement les soumettre à une oxydation menagee dont la sevérite dependra des qualites rheologiques et mecaniques que l'on desire obtenir.
Exemples Dans les exemples qui suivent, les tests de determination de la teneur en asphaltenes ont ete les suivants :
C7 asphaltenes : asphaltenes precipites par l'heptane normal (50 C) - 2 etapes avec des rapports solvant/huile (S/H) de 20, puis 10 en volumes.
C5 asphaltenes : asphaltenes precipites au n-pentane en auto-clave - precipitation (S/H = 5 ; T = 180 C ; P = 4,5 MPa) suivie de deux lavages (S/H = 3 ; T = 160 C ; P = 4,5 MPa).
A noter que les "C5 asphaltenes~ renferment non seulement des asphaltenes, mais aussi des resines qui precipitent au pentane.
Exemple 1 Un echantillon de 10 tonnes d'huile lourde Cold Lake est soumis a un traitement similaire a celui preconise dans la figure. Les debits ponderaux relatifs et les caracteristiques essentielles des flux Fj, Fo~ Fl, F2, F2', F2 " , F3, F5, FS sont presentes dans le tableau 2.
Dans le tableau 3, on trouve les caracteristiques des residus 490 C , 510 C~ et 530 C+ qui peuvent être generes a partir du brut transportable Es (respectivement Rl, R2 et R3). Dans cet exemple precis, les pourcentages respectifs x et 1 - x de Fl et F2 etaient egaux a 50 % en poids. Les conditions operatoires de l'hydrocraquage (hydroviscoreduction) en 10 etaient les suivantes :
temps de residence : 30 minutes temperature moyenne : 436 C
pression totale : 110 bars H2/hydrocarbures : 200 m3/m3 (T P N) precurseur catalytique : 70 p.p.m,exprimees en termes de parties en poids de molybdene par rapport a la charge. Le precurseur est une solution a 1 % de molybdene solubilise sous forme d'acide phosphomolybdique dans une solution organique a base de 2 volumes d'alcool isopropylique et 8 volumes d'un residu atmospherique. Le volume du reacteur d'hydropyrolyse utilise dans l'experimentation etait de 20 litres.
Quant aux conditions de l'operation de desasphaltage du residu atmospherique issu de la distillation de l'effluent liquide de l'hydrocraquage, elles etaient les suivantes :
solvant : coupe C5 de composition suivant en poids iC4 + nC4 : 4,7 %
iC5 : 47,3 nC5 : 42,8 C5+ : 5,2 Le desasphaltage a ete realise en continu, dans une colonne a contre courant, a raison de 15 l/h de charge sous une pression de 4,5 MPa. Les temperatures en fond de colonne et en tête de colonne étaient respectivement de 175 C et de 197 C. Le taux de solvant mis en oeuvre etait de 4,8/1 en termes de volume de solvant par volume de charge.
A l'issue de l'experimentation, les flux Fo~ Fl, et F4 etaient remelanges pour constituer le brut synthetique Fs. Le brut synthetique Fs etait alors soumis a une distillation atmospherique, puis a une - lo - 1 3361 78 distillation sous vide en vue d'obtenir le résidu sous vide utilise comme base de bitume. 3 echantillons de residu ont ete préparés : Rl ;
R2 et R3, correspondant a des températures équivalentes de fond de colonne de 490 C, 510 C et 530 C respectivement, dont les proprié-tés comme bases de bitumes ont été étudiees. Les caracteristiques deces trois produits sont presentées dans le tableau 3.
Exemple 2 Un échantillon de 2 tonnes d'huile lourde vénézuelienne de type Cerro Negro est soumis a un traitement similaire a celui préconisé
dans la figure 1. Les conditions opératoires appliquées pour chacune des étapes sont identiques a celles de l'exemple 1, hormis le fait que les flux Fl et F2 ne sont plus identiques, mais se partagent selon les 15proportions suivantes : Fl = 40 % ; F2 = 60 %. En effet, les spécifi-cations de viscosité requises pour le transport en oléoduc sont moins severes au Venezuela qu'au Canada, et il n'est pas necessaire d'utiliser autant de fraction legere que dans le cas du brut Cold Lake (Venezuela : 400 cSt a 37,8 C ; Canada : 120 cSt a 20 C). 1 cSt =
1 mm /s. Par contre, la distillation du brut synthetique a eté
réalisee a temperature plus basse : 440 C, 460 C, 480 C, pour obtenir les trois residus R4, R5 et R6 susceptibles d'etre utilises en tant que base pour la fabrication de bitumes. Les resultats correspondants sont presentes dans les tableaux 4 et 5.
Exemple 3 Un echantillon de 2 tonnes d~huile lourde Cold Lake est soumis au traitement decrit dans l'exemple 1. La seule difference tient a ce que le catalyseur utilise n'est plus du molybdene, mais du fer injecte dans la charge sous forme d'une solution d'un melange d'octoate de fer et de triethy Laluminium a raison de 100 p.p.m de fer pour 120 p.p.m d'aluminium. Le tableau 6 resume les resultats obtenus ; le fer et l'aluminium, comme precedemment le molybdene, se retrouvent en fin de traitement concentres dans l'asphalte dur. Le residu R7 est obtenu pour un point final de distillation equivalent a 490 C.
" 1336178 Exemple 4 Un échantillon de 10 tonnes d'huile lourde Cold Lake est soumis a un traitement similaire a celui de l'exemple 1, hormis l'etape d'hydropyrolyse qui est realisée en présence d'un catalyseur pulvérulent a base de fer introduit sous forme de sulfate mélangé a une quantité égale de charbon de Freyming ayant un rapport C/H égal a 15,4 et contenant 1,9 % d'eau et 7,4 % de cendres. La quantite de substance solide injectée correspondait a 1 kg de fer par tonne de charge. Les conditions opératoires de l'opération d'hydropyrolyse étaient les suivantes :
temps de résidence : 30 minutes température moyenne : 446 C
pression totale : 15 MPa H2/hydrocarbures : 350 m3/m3 Les autres conditions restaient inchangées par rapport a l'exemple 1. Les resultats globaux de l'operation sont présentés dans le tableau 6. Le residu R8 est obtenu pour un point final de distillation equivalent a 490 C.
Exemple 5 Un echantillon de 2 tonnes d'huile Cold Lake est soumis a un traitement similaire aux traitements precedents, hormis l'etape d'hydropyrolyse qui est realisee en absence de catalyseur, mais dans des conditions de pression nettement plus severes :
temps de residence : 30 minutes temperature moyenne : 435 C
pression totale : 210 MPa H2/hydrocarbures : 350 m3/m3 12 ~ 336 1 78 Les résultats globaux sont presentes dans le tableau 5. Le residu Rg est obtenu pour un point de distillation equivalent a 480 C.
Exemple 6 (comparaison) On traite un echantillon de 2 tonnes de Cold Lake, mais la fraction x du flux Fg est supprimee, c'est-a-dire que tout le residu de distillation est soumis a un traitement d'hydroviscoreduction catalytique dans des conditions necessaires pour rendre l'ensemble du brut synthetique obtenu transportable, a savoir :
temps de résidence : 30 minutes temperature moyenne : 445 C
pression totale : 15 MPa H2/hydrocarbures : 200 m3/m3 (TPN) precurseur catalytique : 100 ppm (exprimee en termes de parties en poids de molybdene par rapport a la charge).
Le brut synthetique obtenu a une densité de 24 cSt et une densite egale a 0~961 ; le rendement en poids est egal a 95 % et le rendement en volume a 99 %. Apres distillation de ce "syncrude", les residus obtenus, quelles que soient leurs caracteristiques de penetration, voient leur caracteristiques de ductilite a 25 C tomber entre 4 et 40, valeurs insuffisantes pour constituer une base de bitumes.
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'____--__--_--------------_________ 7 336 ~ 78 CARACTERISTIQUES DES RESIDUS SOUS VIDE OBTENUS
Rl R2 R3 Rendement % poids 37 34 31 C7 Asphaltenes % poids 131 14,7 16,3 C5 Asphaltenes % poids 21,0 24,1 28,2 Point d'eclair (C) 327 336 341 - Point de ramollissement (C) 43 59 67 Penetration (1/10 mm) 127 96 77 Ductilite (25 C) (cm) 100 + 100 + 95 ___ ________________ S~ ~ ~ ~ ~ C-~ D :~ ~ Q
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_ _ - 16 - 13~6~78 CARACTERISTIQUES DES RESIDUS SOUS VIDE OBTENUS
Rendement % poids 52,4 47,7 45 C7 Asphaltene ~ poids 13,0 14,3 15,1 C5 Asphaltene + resines (% poids)25,8 28,3 30 Point d'eclair C 315 321 327 Point de ramollissement C 41 46 55 Penetration (1/10 mm) 145 116 94 Ductilite 25 C 100 + 100 + 100 +
TRAITEMENT DE L'HUILE LOURDE COLD LAKE
Ex 3 Ex 4 Ex 5 Rendement liquide % poids 89,5 33,6 87,9 30,4 88,3 32,8 Rendement liquide % Vol 94,1 32,5 93,0 28,9 92,9 31,3 d 4 0,951 1,035 0,945 1,050 0,951 1,048 ~ mm2/s a 100 C 14 743 12 1 1121 200 911 Asphaltenes C7 % poids 6,1 16,2 6,4 21,0 6,5 19,4 Asphaltenes C % poids 9,1 28,3 9,7 29,7 10 28,6 Soufre % poids . 3,4 4,5 3,1 4,2 3,5 490 Ni + V % poids 151 460 144 474 163 490 Point de ramollissement C - 49 - 61 - 52 Penetration (1/10 mm) - 105 - 84 - 107
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Rl R2 R3 Rendement % poids 37 34 31 C7 Asphaltenes % poids 131 14,7 16,3 C5 Asphaltenes % poids 21,0 24,1 28,2 Point d'eclair (C) 327 336 341 - Point de ramollissement (C) 43 59 67 Penetration (1/10 mm) 127 96 77 Ductilite (25 C) (cm) 100 + 100 + 95 ___ ________________ S~ ~ ~ ~ ~ C-~ D :~ ~ Q
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_ _ - 16 - 13~6~78 CARACTERISTIQUES DES RESIDUS SOUS VIDE OBTENUS
Rendement % poids 52,4 47,7 45 C7 Asphaltene ~ poids 13,0 14,3 15,1 C5 Asphaltene + resines (% poids)25,8 28,3 30 Point d'eclair C 315 321 327 Point de ramollissement C 41 46 55 Penetration (1/10 mm) 145 116 94 Ductilite 25 C 100 + 100 + 100 +
TRAITEMENT DE L'HUILE LOURDE COLD LAKE
Ex 3 Ex 4 Ex 5 Rendement liquide % poids 89,5 33,6 87,9 30,4 88,3 32,8 Rendement liquide % Vol 94,1 32,5 93,0 28,9 92,9 31,3 d 4 0,951 1,035 0,945 1,050 0,951 1,048 ~ mm2/s a 100 C 14 743 12 1 1121 200 911 Asphaltenes C7 % poids 6,1 16,2 6,4 21,0 6,5 19,4 Asphaltenes C % poids 9,1 28,3 9,7 29,7 10 28,6 Soufre % poids . 3,4 4,5 3,1 4,2 3,5 490 Ni + V % poids 151 460 144 474 163 490 Point de ramollissement C - 49 - 61 - 52 Penetration (1/10 mm) - 105 - 84 - 107
Claims (11)
1 - Procédé de traitement d'une huile lourde de pétrole renfermant des asphaltènes dans le but de produire un brut synthétique transpor-table et pouvant fournir une excellente base pour la production de bitumes et dont la teneur globale en soufre et métaux est réduite par rapport au brut de départ, le procédé consistant à diviser la charge en au moins une première partie et une seconde partie, à soumettre la seconde partie à une hydropyrolyse (ou hydroviscoréduction) suivie d'un désasphaltage, et à remélanger la dite première partie avec l'huile désasphaltée obtenue après ladite hydropyrolyse et ledit désasphaltage de la seconde partie.
2 - Procédé selon la revendication 1, dans lequel la seconde partie représente 10 à 90 % et la première partie 90 à 10 % de la charge.
3 - Procédé selon la revendication 1, dans lequel la seconde partie représente 30 à 70 % et la première partie 70 à 30 % de la charge.
4 - Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel l'hydropyrolyse est réalisée en présence d'un catalyseur à base d'au moins un métal du groupe VI A, V A et/ou VIII de la classification périodique.
5 - Procédé selon la revendication 4, dans lequel le catalyseur est un composé de molybdène.
6 - Procédé selon la revendication 1, dans lequel le catalyseur est un composé de fer.
7 - Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel le catalyseur est un mélange d'un sel minéral de fer et d'un charbon bitumineux ou sub-bitumineux à rapport C/H compris entre 14 et 17.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le charbon ajouté au catalyseur représente 0,1 à 5% du poids de la charge.
9. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel l'hydropyrolyse est réalisée en absence de catalyseur à une pression comprise entre 10 et 30 MPa.
10. Procédé selon la revendication 1, 2, 3, 5, 6 ou 8, dans lequel le brut synthétique obtenu par mélange de la fraction non traitée avec la fraction hydropyrolysée débarrassée de ses asphaltes est distillé dans une colonne sous vide pour fournir la fraction riche en asphaltes destinée à servir de constituant de base pour la production de bitumes routiers ou autres bitumes industriels.
11. Procédé selon la revendication 1, 2, 3, 5, 6 ou 8, dans lequel des gaz incondensables issus de l'hydroviscoréduction catalytique sont utilisés pour produire le gaz hydrogène consommé dans cette même unité, des asphaltes très durs issus de l'opération de désasphaltage étant utilisés sur place pour la production de vapeur.
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|---|---|---|---|
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1988
- 1988-06-22 FR FR8808487A patent/FR2633307B1/fr not_active Expired - Fee Related
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1989
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