EP0323297B1 - Procédé de conversion d'hydrocarbures en lit fluidisé - Google Patents

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EP0323297B1
EP0323297B1 EP88403153A EP88403153A EP0323297B1 EP 0323297 B1 EP0323297 B1 EP 0323297B1 EP 88403153 A EP88403153 A EP 88403153A EP 88403153 A EP88403153 A EP 88403153A EP 0323297 B1 EP0323297 B1 EP 0323297B1
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EP
European Patent Office
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hydrocarbons
reaction zone
process according
catalyst
temperature
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP88403153A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP0323297A1 (fr
Inventor
Jean-Louis Mauleon
Jean-Bernard Sigaud
Jean-Claude Courcelle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Total Marketing Services SA
Original Assignee
Compagnie de Raffinage et de Distribution Total France SA
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G11/00—Catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
    • C10G11/14—Catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils with preheated moving solid catalysts
    • C10G11/18—Catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils with preheated moving solid catalysts according to the "fluidised-bed" technique

Definitions

  • the present invention relates to a conversion process allowing, in the same reaction zone, catalytic cracking from heavy hydrocarbon charges and the simultaneous production of olefins, in particular olefins comprising from 2 to 4 carbon atoms, by gentle steam cracking of light hydrocarbon charges.
  • hydrocarbon cracking processes are commonly used by the petroleum and oil services industries; they consist in dividing, by raising the temperature, hydrocarbon molecules into smaller molecules.
  • thermal cracking and catalytic cracking, which involve either the only influence of temperature or the active sites of a catalyst.
  • thermocracking reaction which is a globally endothermic reaction, takes place mainly in the part of the tubes receiving the maximum heat flux.
  • the temperature of these tubes is determined by the nature of the hydrocarbons to be cracked (they are generally either ethane or liquefied petroleum gases or LPG, or gasolines, or naphthas, or finally sometimes gas oils). Whatever the nature of the load, this temperature is always very high and greater than 700 ° C; it is however limited to a maximum of the order of 850 ° C. by the conditions of implementation of the method and by the complexity of operation of the ovens which use auxiliary heating energy.
  • the subject of the present invention is a process for carrying out, in the same reaction zone, in dilute fluidized phase, of ascending or descending type, on the one hand, a thermal cracking reaction with steam of hydrocarbon feedstocks light, which may include saturated light gases or cuts ranging from gasoline to diesel, and, on the other hand, a catalytic cracking reaction of heavy hydrocarbon charges, of which a substantial part of the boiling range is located above 500 ° C.
  • the present invention aims to use this feature of heavy loads to produce coke, not only to provide the catalyst, during the combustion of coke, the energy necessary for the vaporization of the heavy load, but also to provide energy to the catalyst. additional and thus create, in the upstream part of the reaction zone, the conditions required for carrying out a gentle steam cracking of lighter hydrocarbons, comprising in particular ethane, propane, butane, light gasolines, naphthas and gas oils .
  • Light hydrocarbons intended for steam cracking may be introduced into the reaction zone using one or more injection lines, depending on the nature of the hydrocarbons to be steam cracked.
  • the various cuts of hydrocarbons capable of being injected will be introduced one after the other from upstream to downstream in said reaction zone by Ascending of their boiling temperature, the lightest cup being introduced into the hottest area.
  • the steam cracking zone may be subdivided into as many zones, operating with decreasing severity, as there are sections of light saturated hydrocarbons intended for steam cracking.
  • the quantity of water vapor injected into the upstream part of the reaction zone is here significant compared to the usual cracking conditions in a fluidized bed. However, it remains appreciably lower than the values practiced in the conventional steam cracking process, in particular because the process described here accommodates without problem the possible formation of a certain amount of coke. Indeed, the amount of water vapor will usually be between 20 and 60% and, preferably, between 30 and 50% by weight, relative to the amount of hydrocarbons to be converted by steam cracking.
  • a first advantage of the process according to the invention is linked to the fact that the steam cracking reaction, in the upstream part of the reactor, requires significant amounts of calories due, essentially, to the very high endothermicity of this reaction (5 to 10 times higher than that of the catalytic cracking reaction).
  • This significant absorption of calories, in the upstream part of the reactor acts as a heat sink, which results, as in any catalytic cracking unit, by an increased flow rate of the catalyst circulation.
  • the catalytic cracking reaction will be carried out with a ratio of quantity of catalyst to quantity of filler to be cracked (generally called "C / O ratio") much higher than according to the prior art (see for this purpose EP-A -208.609), with the consequence of a significant improvement in the yield of gasoline and diesel compared to the amount of heavy load to be cracked.
  • this C / O ratio may advantageously be between 4 and 12 in the downstream part of the reaction zone.
  • a second advantage of the process according to the invention resides in the fact that it makes it possible to convert into ethylene, propylene and butenes, light cuts of low recovery, such as ethane or certain gasoline cuts, and this under selectivity conditions superior to conventional steam cracking.
  • the cracking unit will comprise a device for fractionating the reaction effluents making it possible to selectively fractionate, in a manner known per se, the abovementioned hydrocarbons as well as light gases and hydrocarbons with two, three or four carbon atoms.
  • the gentle steam cracking will be carried out in the upstream part of the reactor in at least two zones of decreasing severity, by injection in the presence of water vapor of at least two separate cuts: a cut containing mainly ethane, but also possibly propane and butane, then a cut containing light essences, then possibly naphtas or gas oils.
  • An additional advantage arising from the present invention resides in the fact that the hydrogen necessarily produced by steam cracking in the upstream part of the reactor is capable of reacting under the reaction conditions of the downstream part of the reactor and, therefore, of improving the yield effluents from the conversion unit into the best valued products.
  • the steam cracked hydrocarbon fractions usable according to the present invention therefore comprise saturated light gases, such as ethane, propane or butanes, or heavier hydrocarbons, saturated or not, such as light gasolines, naphthas or gas oils, or even certain cuts with a higher boiling point but highly paraffinic, such as paraffins or slack wax.
  • saturated light gases such as ethane, propane or butanes
  • heavier hydrocarbons saturated or not, such as light gasolines, naphthas or gas oils, or even certain cuts with a higher boiling point but highly paraffinic, such as paraffins or slack wax.
  • These hydrocarbon fractions can come either from different refinery units, such as atmospheric distillation, visbreaking, hydrocracking, oil manufacturing or olefin oligomerization units, or effluents from the unit of conversion itself.
  • the main charge injected downstream of the mild steam cracking zone could be a standard charge of a catalytic cracking unit, but with the possibility, compared to the known precedents, of also using heavier charges.
  • These fillers may, if necessary, have received a preliminary treatment, such as, for example, a hydrotreatment. They may, in particular, contain fractions rich in asphaltenes and having a Conradson carbon content. equal to or greater than 10%.
  • These charges may or may not be diluted by conventional lighter cuts, which may include cuts of hydrocarbons which have already undergone a cracking operation and which are recycled, such as cracked gas oils, LCOs or HCOs Finally, these charges can be preheated in a temperature range generally between 100 and 400 ° C.
  • the injection of hydrocarbons into the downstream part of the reaction zone is carried out using high-performance sprayers, such as nozzle sprayers of the venturi type, so as to give the droplets of liquid the smallest possible diameter. , generally less than 100 microns and preferably less than 50 microns.
  • This fine spray allows the droplets formed to be vaporized almost instantaneously, when they are brought into contact with the catalyst flow at high temperature.
  • the temperature for mixing the charge with the catalyst particles may be as high as necessary to obtain complete vaporization of all the constituents of the charge, while remaining independent of the final catalytic cracking temperature of the zone located further downstream, thanks to the injection, downstream of the residual main charge, of another cut of hydrocarbons, such as a cut HCO or LCO liquid, the latter cut being injected at a temperature and in an amount such that the temperature prevailing in the rest of the reaction zone can be adjusted, so that the catalytic cracking is carried out under optimal conditions.
  • another cut of hydrocarbons such as a cut HCO or LCO liquid
  • the device will include means for regulating the feed rate of the recycle so that the final reaction temperature is maintained equal to a set value adapted to the load to be cracked, to the cracking conditions and to the type of market sought (for example, petrol market: final temperature 500-530 ° C, or diesel market: final temperature 480-510 ° C).
  • a set value adapted to the load to be cracked, to the cracking conditions and to the type of market sought (for example, petrol market: final temperature 500-530 ° C, or diesel market: final temperature 480-510 ° C).
  • the mixing temperature of the vaporized charge to be cracked and the catalyst can thus be maintained above the dew point of the charge, while adapting the cracking temperature to the selectivity desired for the cracking effluents.
  • the process according to the invention can advantageously be implemented in a device comprising a reaction zone for bringing petroleum fractions at high temperature into contact with catalyst particles in a tubular type reactor with essentially ascending or descending flow, means for ballistic separation of said particles and cracked cuts, means for stripping the catalyst particles, means for regenerating them by combustion of the coke deposited on these particles, and means for recycling the regenerated particles in the supply to said reactor ,
  • this device comprising means for injecting at least one section of light hydrocarbons such as saturated light gases, gasoline or diesel in the upstream part of the tubular reactor in the presence of water vapor in an amount equal to less than 20% by weight and preferably between 30 and 50% by weight relative to the quantity hydrocarbons, so that the resulting mixture is maintained at a temperature between 650 and 850 ° C in a dilute fluidised bed, said device further comprising in the downstream part of the tubular reactor first means for spraying at least one cut of heavier hydrocarbons under conditions such that the mixing temperature is higher than the vaporization temperature of said
  • This temperature of the conversion effluents will in particular be kept constant between 475 and 550 ° C. by spraying, downstream of the injection zone of the heavy load, with a determined quantity of LCO or HCO.
  • This spraying like that of the heavy load to be catalytically cracked, will be carried out using injectors of a type known per se, making it possible to obtain, at the outlet of the injector (s), droplets of which at least 80% have a diameter less than 100 micrometers.
  • the ratio between the flow rate of heavy hydrocarbon feed introduced into the downstream part and the flow of lighter hydrocarbons (in particular ethane and petrol) introduced into the upstream part can vary in significant proportions, for example in a ratio of between 0.20 and 1.50 by weight.
  • catalysts having catalytic cracking capacities can be used to carry out the process according to the present invention.
  • a particularly advantageous category is that of catalysts having porous structures in which molecules can be brought into contact with active sites located in the pores; in this class, there are in particular silicates or aluminosilicates.
  • catalysts containing zeolite are commercially available with supports containing a variety of metal oxides and combinations of said oxides, in particular silica, alumina, magnesia, oxides of titanium, barium, and mixtures of these substances, as well as mixtures of said oxides with clays, bridged or not.
  • the catalyst composition can naturally contain one or more agents promoting one or the other step of the process.
  • the catalyst may therefore, in particular, contain agents promoting the combustion of coke during regeneration.
  • the upward fluidized phase conversion device shown in this figure essentially comprises a column 1, called a load elevator, or riser. It is supplied at its base by line 2 with particles of regenerated catalyst particles, in a quantity regulated by a valve 3. The regenerated particles are fluidized by injection of steam or gas arriving by line 4 at the base of the riser , using a diffuser 5.
  • Light saturated gases comprising in particular ethane are then introduced into the column using the diffuser 7 supplied by line 6 with additional steam supplied by line 10.
  • a gasoline or diesel cut injected by a diffuser 8 supplied by the line 9, can in turn be cracked at a lower temperature level, of the order of 150 to 750 ° C.
  • a complement of steam can also be supplied by line 10 ′.
  • the load of hydrocarbons heavier than diesel is then introduced into the reactor using one or more injectors 11 supplied by line 12, in an amount such that the temperature prevailing in this part of column 1 is higher or equal to the vaporization temperature of said charge. It is then necessary to reduce the mixing temperature to a value more conducive to catalytic cracking, that is to say of the order of 475 to 550 ° C., by spraying with hydrocarbons such as light diluents (LCO) or heavy (HCO), using line 13 which supplies the injector (s) 14.
  • LCO light diluents
  • HCO heavy
  • Column 1 opens at its top into an enclosure 15, which is for example concentric with it and in which, on the one hand, the separation of the cracked charge takes place and, on the other hand, the stripping of the used particles.
  • the ballistic separation system cyclonic or not, is housed in the enclosure 15 and the effluent hydrocarbons are evacuated by an evacuation line 16, provided at the top of the enclosure 15, while the used catalytic particles descend to the base.
  • enclosure 15 where a line 17 supplies stripping gas (generally steam) to diffusers 18 regularly arranged at the base of this enclosure 15.
  • the particles thus stripped are evacuated towards the regenerator, via of a duct 19, on which a regulating valve 20 is provided.
  • the regenerator shown in this figure here comprises a first combustion zone 21, in the presence of oxygen, of the coke deposited on the catalyst particles.
  • the coke is thus mainly burnt using air, injected into the regenerator bar by a line 22, which feeds the diffuser 23.
  • the combustion gas is separated from the catalyst grains in the cyclone 24, whence the combustion gas is evacuated via a line 25, while the partially regenerated catalytic particles are transferred to the second stage 26 by the central duct 27, supplied with air by the line 28.
  • the base of the stage 26 can also be supplied with air by the diffuser 29, supplied by the line 30.
  • the grains of this regenerated catalyst are discharged laterally in a buffer enclosure 31 and recycled through line 2 to the supply to the elevator 1.
  • the combustion gases discharged at the upper part of the chamber 26 are treated in a cyclone 32, which is here external to the chamber and from the base of which the particles of the catalyst are returned via the conduit 33 into the chamber 26, while the combustion gases are evacuated via line 34.
  • the ethane and the ethylene coming from line 38 are introduced into an oligomerization reactor 44.
  • a fractionation device 45 then makes it possible to evacuate via line 46 unreacted ethane and ethylene, while light olefinic gasolines (whose boiling temperature is generally between 30 and 100 ° C) are extracted by line 47.
  • Line 46 then allows to return the ethane thus recovered in the upstream part of the reactor by line 6, while the light gasolines can either be recovered as such, or steam cracked by recycling in line 9, in order, for example, to maximize the production of propylene.
  • part of the HCO from the fractionation zone 35 is here recycled by line 42 to line 13 to regulate the reaction temperature downstream of column 1.
  • This regulation is done using a valve 48, the flow rate of which is for example adjusted as a function of the temperature measured using a probe preferably located at the outlet of the reactor.
  • valves 49 and 50 make it possible to regulate the quantities of light hydrocarbons introduced by lines 9 and 6 into the upstream part of the reaction zone, as a function of the temperature measured in this part, so that this temperature , between 650 and 850 ° C, allows to ensure steam cracking, in accordance with the present invention.
  • a commercial catalyst comprising ultra-stabilized zeolites and a matrix capable of cracking the heaviest hydrocarbon molecules.
  • the conditions of this test in which ethane and petrol are successively injected into the upstream part of the reaction zone, then successively the charge A and a determined quantity of HCO in the downstream part, are as follows:

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Description

  • La présente invention concerne un procédé de conversion permettant, dans une même zone réactionnelle, le craquage catalytique à partir de charges lourdes d'hydrocarbures et la production simultanée d'oléfines, en particulier d'oléfines comprenant de 2 à 4 atomes de carbone, par vapocraquage doux de charges d'hydrocarbures légers.
  • On sait que les procédés de craquage d'hydrocarbures sont utilisés de façon courante par les industries pétrolières et parapétrolières; ils consistent à scinder, par élévation de la température, des molécules d'hydrocarbures en molécules plus petites. Il existe deux types de craquage, le craquage thermique et le craquage catalytique, qui mettent en jeu soit la seule influence de la température, soit les sites actifs d'un catalyseur.
  • Dans une unité classique de vapocraquage, c'est-à-dire de craquage thermique à la vapeur d'eau, la charge d'hydrocarbures est chauffée progressivement dans un four tubulaire, et la réaction de thermocraquage, qui est une réaction globalement endothermique, a lieu principalement dans la partie des tubes recevant le maximum de flux de chaleur. La température de ces tubes est déterminée par la nature des hydrocarbures à craquer (ce sont généralement soit de l'éthane ou des gaz de pétrole liquéfié ou GPL, soit des essences,soit des naphtas, soit enfin parfois des gazoles). Quelle que soit la nature de la charge, cette température est toujours très élevée et supérieure à 700°C; elle est toutefois limitée à un maximum de l'ordre de 850°C par les conditions de mise en oeuvre du procédé et par la complexité de fonctionnement des fours qui utilisent une énergie annexe de chauffage.
  • Dans une unité de craquage catalytique en lit fluidisé de type classique (en anglais Fluid Catalytic Cracking, ou encore procédé FCC), la charge d'hydrocarbures, généralement composée de gazoles ou de charges plus lourdes telles que des résidus de distillation, est mise en contact avec un catalyseur de craquage, qui est maintenu en suspension dans les vapeurs de la charge. Après que l'on ait atteint par craquage la gamme de poids moléculaires désirée, avec abaissement correspondant des poids d'ébullition, le catalyseur est séparé des produits obtenus, strippé, régénéré par combustion du coke formé, puis remis en contact avec la charge à craquer. Cette réaction de craquage catalytique se déroule dans une gamme de température généralement comprise entre 450 et 550°C. Elle est mise en oeuvre de façon à ce que l'unité de craquage soit en équilibre thermique sans utiliser d'énergie annexe au chauffage. Autrement dit, l'alimentation en catalyseur chaud régénéré par combustion du coke déposé au cours de la réaction doit être telle qu'elle puisse répondre aux diverses exigences thermiques de la section réactionnelle, à savoir, en particulier:
    • le préchauffage de la charge liquide,
    • la vaporisation de cette charge,
    • l'apport de calories exigé par les réactions impliquées, lesquelles sont globalement endothermiques.
  • Les procédés de vapocraquage et de craquage catalytique permettent donc de traiter des charges d'hydrocarbures de natures différentes dans des conditions réactionnelles non moins différentes.
  • La présente invention a pour objet un procédé permettant de réaliser, dans une même zone réactionnelle, en phase fluidisée diluée, de type ascendant ou descendant, d'une part, une réaction de craquage thermique à la vapeur d'eau de charges d'hydrocarbures légers, pouvant inclure des gaz légers saturés ou des coupes allant des essences jusqu'aux gazoles, et, d'autre part, une réaction de craquage catalytique de charges lourdes d'hydrocarbures, dont une partie substantielle de la gamme d'ébullition se situe au-delà de 500°C.
  • On sait, en effet, que le craquage catalytique de charge lourdes (voir EP-A-208.609, appartenant à la Demanderesse) requiert des températures supérieures ou égales à la température de vaporisation des hydrocarbures, afin de permettre une réaction ultérieure en phase gazeuse. Lorsque cette température de vaporisation est notablement supérieure à celle requise par la réaction de craquage proprement dite, il est possible, après un temps de contact contrôlé, de ramener la température de la suspension de grains de catalyseur et d'hydrocarbures à un niveau plus adapté à la réaction de craquage catalytique, par introduction, dans cette suspension, de fluides dont la température d'ébullition est plus basse, tels que des huiles légères de recyclage ou LCO (de l'anglais "Light Cycle Oil") et des huiles lourdes de recyclage ou HCO (de l'anglais "Heavy Cycle Oil").
  • On sait également que, du fait de leur teneur en composés tels que les asphaltènes, les résines ou les polyaromatiques, ces charges lourdes ont tendance à fournir, dans les conditions de la réaction, des quantités substantielles de coke, qui sont parfois bien supérieures à celles requises pour la satisfaction du bilan thermique de l'unité.
  • La présente invention vise à utiliser cette particularité des charges lourdes à produire du coke, non seulement pour apporter au catalyseur, lors de la combustion du coke, l'énergie nécessaire à la vaporisation de la charge lourde, mais également pour apporter au catalyseur une énergie supplémentaire et créer ainsi, dans la partie amont de la zone réactionnelle, les conditions requises pour réaliser un vapocraquage doux d'hydrocarbures plus légers, comprenant en particulier l'éthane, le propane, le butane, les essences légères, les naphtas et les gazoles.
  • La présente invention a donc pour objet un procédé de conversion d'hydrocarbures pétroliers, en présence de particules de catalyseur en phase fluidisée, dans une zone réactionnelle tubulaire à flux ascendant ou descendant, ce procédé comprenant au moins une étape de vapocraquage d'au moins une coupe d'hydrocarbures légers, dans la partie amont de la zone réactionnelle, et une étape de craquage catalytique d'au moins une coupe d'hydrocarbures lourds, dans la partie aval de ladite zone réactionnelle, une étape de séparation balistique des particules de catalyseur usé, une étape de régénération de ce catalyseur dans au moins une zone de combustion du coke déposé sur ces particules et une étape de recyclage des particules régénérées à l'alimentation de la zone réactionnelle, ce procédé étant caractérisé en ce que:
    • le vapocraquage est réalisé par mise en contact, dans un lit fluidisé des particules de catalyseur, desdits hydrocarbures légers et d'une quantité de vapeur d'eau égale au moins à 20% en poids et de préférence comprise entre 30 et 50% en poids de la quantité d'hydrocarbures légers, la température résultant de ladite mise en contact étant comprise entre 650 et 850°C et, de préférence entre 700 et 800°C;
    • le craquage catalytique des hydrocarbures lourds est réalisé par injection dans la suspension de catalyseur des effluents provenant de la partie amont de la zone réactionnelle de façon telle que la température de mélange soit d'abord supérieure à la température de vaporisation de la charge et comprise entre 500 et 650°C, puis soit ramenée à une température comprise entre 475 et 550°C par pulvérisation, immédiatement en aval de l'injection de la charge lourde, d'une coupe d'hydrocarbures entièrement vaporisable dans les conditions de sortie de la zone réactionnelle.
  • Les hydrocarbures légers destinés au vapocraquage pourront être introduits dans la zone réactionnelle à l'aide d'une ou de plusieurs lignes d'injection, suivant la nature des hydrocarbures à vapocraquer. En particulier, selon un mode particulièrement avantageux de mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, les diverses coupes d'hydrocarbures susceptibles d'être injectées, seront introduites l'une après l'autre d'amont en aval dans ladite zone réactionnelle par ordre croissant de leur température d'ébullition, la coupe la plus légère étant introduite dans la zone la plus chaude. Par exemple, il sera possible d'introduire de l'éthane dans la partie la plus en amont de réacteur, c'est-à-dire dans la zone d'injection où le catalyseur régénéré est le plus chaud, et d'introduire de l'essence dans la zone située immédiatement en aval, dont la température sera inférieure, du fait de la mise en contact du catalyseur et de l'éthane, mais restera néanmoins suffisante pour le craquage thermique de l'essence. Il sera de même possible d'introduire par la suite et selon le même principe des coupes de naphtas, puis de gazoles.
  • Ainsi, la zone de vapocraquage pourra être subdivisée en autant de zones, fonctionnant à sévérité décroissante, que de coupes d'hydrocarbures légers saturés destinées au vapocraquage.
  • La quantité de vapeur d'eau injectée dans la partie amont de la zone réactionnelle est ici importante par rapport aux conditions habituelles de craquage en lit fluidisé. Elle demeure cependant notablement inférieure aux valeurs pratiquées dans le procédé de vapocraquage conventionnel, notamment du fait que le procédé ici décrit s'accomode sans problème de la formation éventuelle d'une certaine quantité de coke. En effet, la quantité de vapeur d'eau sera habituellement comprise entre 20 et 60% et, de préférence, entre 30 et 50% en poids, par rapport à la quantité d'hydrocarbures à convertir par vapocraquage. Il en résulte que le maintien en phase fluidisée aux températures souhaitées pour le vapocraquage nécessite un apport de calories d'autant plus important qu'est injectée dans la zone réactionnelle une plus grande quantité de vapeur d'eau destinée à éviter ou à tout le moins à minimiser la polymérisation des oléfines et des dioléfines. Cet apport de calories pourra être obtenu, conformément à la présente invention, par craquage catalytique d'une charge lourde d'hydrocarbures de la partie aval de la zone réactionnelle.
  • Les difficultés technologiques liées, en partie, à la métallurgie de l'appareillage et, en partie, aux problèmes de stabilité du catalyseur aux températures requises par la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, entraînement, de préférence, l'utilisation d'un dispositif de régénération du catalyseur fonctionnant avec deux chambres distinctes de combustion, permettant ainsi de fournir les quantités requises de particules catalytiques à la température élevée adéquate (voir à cet effet EP-A-184 517 déposé par la Demanderesse).
  • Un premier avantage du procédé selon l'invention est lié au fait que la réaction de vapocraquage, dans la partie amont du réacteur, requiert des quantités importantes de calories dues, pour l'essentiel, à la très forte endothermicité de cette réaction (5 à 10 fois plus élevée que celle de la réaction de craquage catalytique). Cette absorption importante de calories, dans la partie amont du réacteur, agit comme un puits thermique, qui se traduit, comme dans touts unité de craquage catalytique par un débit accru de la circulation de catalyseur. Il en résulte que la réaction de craquage catalytique sera réalisée avec un rapport quantité de catalyseur sur quantité de charge à craquer (généralement appelé "rapport C/O") beaucoup plus élevé que selon l'art antérieur (voir à cet effet EP-A-208.609), avec pour conséquence une amélioration notable du rendement en essences et en gazole par rapport à la quantité de charge lourde à craquer. En particulier, ce rapport C/O pourra avantageusement être compris entre 4 et 12 dans la partie aval de la zone réactionnelle.
  • Un second avantage du procédé selon l'invention réside dans le fait qu'il permet de convertir en éthylène, propylène et butènes, des coupes légères de faible valorisation, telles que l'éthane ou certaines coupes essences, et ce dans des conditions de sélectivité supérieures au vapocraquage conventionnel. Par exemple, selon un mode particulièrement avantageux de mise en oeuvre de l'invention, l'unité de craquage comprendra un dispositif de fractionnement des effluents réactionnels permettant de fractionner sélectivement et de façon connue en soi les hydrocarbures précités ainsi que les gaz légers et les hydrocarbures à deux, trois ou quatre atomes de carbone. Il sera en particulier possible de séparer l'éthane des autres effluents gazeux et de le recycler, éventuellement en combinaison avec des coupes provenant d'autre unités, dans la partie la plus chaude de la zone réactionnelle, c'est-à-dire en amont de l'injection d'essences ou de gazoles, là où le catalyseur régénéré et chaud est introduit.
  • Selon cette configuration, le vapocraquage doux sera réalisé dans la partie amont du réacteur en au moins deux zones de sévérité décroissante, par injection en présence de vapeur d'eau d'au moins deux coupes distinctes: une coupe contenant principalement de l'éthane, mais aussi éventuellement du propane et du butane, puis une coupe contenant des essences légères, puis éventuellement des naphtas ou des gazoles.
  • Selon un mode particulièrement avantageux de mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, la production de propylène pourra en outre être notablement augmentée par une réutilisation judicieuse des hydrocarbures à deux atomes de carbone produits pendant la réaction. Il suffira, à cet effet, d'utiliser le mélange d'éthane de d'éthylène en provenance de la zone de fractionnement, de type connu en soi, et d'envoyer ce mélange dans un réacteur de trimérisation ou d'oligomérisation de l'éthylène, par exemple du type décrit par l'art antérieur (se référer à cet effet aux brevets EP-A-12 685, 24 971, 215 609 ou US-A-4 605 807), pour récupérer, après fractionnement des effluents:
    • d'une part, l'éthane n'ayant pas réagi, qui sera recyclé à l'entrée de la partie amont de la zone réactionnelle, conformément à la présente invention.
    • d'autre part, des essences légères résultant de ladite oligomérisation, qui pourront pour leur part, être éventuellement recyclées avec d'autres essences dans la zone de vapocraquage fonctionnant à plus basse sévérité, en vue d'augmenter la production de propylène et de butènes, si tel est le but recherché.
  • Un avantage supplémentaire découlant de la présente invention réside dans le fait que l'hydrogène nécessairement produit par le vapocraquage dans la partie amont du réacteur est susceptible de réagir dans les conditions réactionnelles de la partie aval du réacteur et, donc, d'améliorer le rendement des effluents de l'unité de conversion en produits les mieux valorisés.
  • Les coupes d'hydrocarbures à vapocraquer utilisables selon la présente invention comprennent donc des gaz légers saturés, tels que l'éthane, le propane ou les butanes, ou des hydrocarbures plus lourds, saturés ou non, tels que les essences légères, les naphtas ou les gazoles, voire certaines coupes à point d'ébullition plus élevé mais fortement paraffiniques, telles que les paraffines ou gatsch. Ces coupes d'hydrocarbures peuvent provenir soit de différentes unités de la raffinerie, telles que les unités de distillation atmosphérique, de viscoréduction, d'hydrocraquage, de fabrication d'huiles ou d'oligomérisation des oléfines, soit des effluents de l'unité de conversion elle-même.
  • La charge principale injectée en aval de la zone de vapocraquage doux pourra être une charge type d'une unité de craquage catalytique, mais avec la possibilité, par rapport aux précédés connus, d'utiliser également des charges plus lourdes.
  • On peut citer, par exemple, comme charges susceptibles d'être traitées selon la présente invention, les gazoles sous vide et les huiles hydrocarbonées plus lourdes, telles que des pétroles bruts, éventuellement étêtés, ainsi que les résidus de distillation atmosphérique ou de distillation sous vide. Ces charges peuvent, le cas échéant, avoir reçu un traitement préalable, tel que, par exemple, un hydrotraitement. Elles pourront, en particulier, contenir des fractions riches en asphaltènes et présentant une teneur en carbone Conradson égale ou supérieure à 10%. Ces charges peuvent être diluées ou non par des coupes plus légères conventionnelles, pouvant inclure des coupes d'hydrocarbures ayant déjà subi une opération de craquage et qui sont recyclées, telles que des gazoles de craquage, des L.C.O. ou des H.C.O. Enfin, ces charges peuvent être préchauffées dans un domaine de température généralement compris entre 100 et 400°C.
  • Toutes ces charges d'hydrocarbures à haut point d'ébullition pourront aisément être vaporisées en procédant à une pulvérisation appropriée dans la zone réactionnelle, du fait de la présence d'une quantité élevée de catalyseur à haute température provenant de la partie amont de la zone réactionnelle. Les composés les plus lourds et, en particulier, les asphaltènes contenus dans la charge seront alors susceptibles de subir un craquage thermique instantané et très sélectif, donnant lieu à la formation de produits plus légers susceptibles d'être craqués catalytiquement dans la zone réactionnelle située en aval.
  • A cet effet, l'injection des hydrocarbures dans la partie aval de la zone réactionnelle est pratiquée à l'aide de pulvérisateurs performants, tels que des pulvérisateurs à tuyère de type venturi, de façon à donner aux gouttelettes de liquide le plus petit diamètre possible, généralement inférieur à 100 micromètres et, de préférence, à 50 micromètres. Cette finesse de pulvérisation permet, en effet, aux gouttelettes formées d'être vaporisées de façon quasi-instantanée, lors de leur mise en contact avec le flux de catalyseur à haute température.
  • La température de mélange de la charge avec les particules de catalyseur pourra être aussi élevée que nécessaire pour obtenir une complète vaporisation de tous les constituants de la charge, tout en restant indépendante de la température finale de craquage catalytique de la zone située plus en aval, grâce à l'injection, en aval de la charge principale résiduelle, d'une autre coupe d'hydrocarbures, telles qu'une coupe liquide de HCO ou de LCO, cette dernière coupe étant injectée à une température et en quantité telles que la température régnant dans le reste de la zone réactionnelle puisse être ajustée, de façon à ce que le craquage catalytique soit réalisé dans des conditions optimales. Dans ce but, le dispositif comprendra des moyens pour réguler le débit d'alimentation en recycle de façon telle que la température finale de réaction soit maintenue égale à une valeur de consigne adaptée à la charge à craquer, aux conditions de craquage et au type de marche recherché (par exemple, marche essence: température finale 500-530°C, ou marche gazole: température finale 480-510°C). La température de mélange de la charge à craquer vaporisée et du catalyseur peut ainsi être maintenue supérieure au point de rosée de la charge, tout en adaptant la température de craquage à la sélectivité désirée pour les effluents de craquage.
  • Le procédé conforme à l'invention pourra avantageusement être mis en oeuvre dans un dispositif comprenant une zone réactionnelle de mise en contact à haute température de coupes pétrolières avec des particules de catalyseur dans un réacteur de type tubulaire à flux essentiellement ascendant ou descendant, des moyens de séparation balistique desdites particules et des coupes craquées, des moyens de strippage des particules de catalyseur, des moyens de régénération de celles-ci par combustion du coke déposé sur ces particules, et des moyens de recyclage des particules régénérées à l'alimentation dudit réacteur, ce dispositif comportant des moyens d'injection d'au moins une coupe d'hydrocarbures légers tels que des gaz légers saturés, des essences ou des gazoles dans la partie amont du réacteur tubulaire en présence de vapeur d'eau en une quantité égale au moins à 20% en poids et, de préférence, comprise entre 30 et 50% en poids par rapport à la quantité d'hydrocarbures, de façon telle que le mélange résultant soit maintenu à une température comprise entre 650 et 850°C dans un lit fluidisé dilué, ledit dispositif comportant en outre dans la partie aval du réacteur tubulaire des premiers moyens de pulvérisation d'au moins une coupe d'hydrocarbures plus lourds dans des conditions telles que la température de mélange soit supérieure à la température de vaporisation desdits hydrocarbures et comprise entre 500 et 650°C, ainsi que des seconds moyens de pulvérisation disposés immédiatement en aval de la zone d'injection desdits hydrocarbures plus lourds en vue d'injecter une coupe d'hydrocarbures entièrement vaporisable dans les conditions de sortie de la zone réactionnelle.
  • Cette température des effluents de conversion sera en particulier maintenue constante entre 475 et 550°C par pulvérisation, en aval de la zone d'injection de la charge lourde, d'une quantité déterminée de LCO ou de HCO. Cette pulvérisation, de même que celle de la charge lourde à craquer catalytiquement, sera réalisée à l'aide d'injecteurs de type connu en soi, permettent d'obtenir, à la sortie du ou des injecteurs, des goutellettes dont au moins 80% ont un diamètre inférieur à 100 micromètres.
  • Il va de soi que de nombreuses variantes du procédé selon l'invention peuvent être mises en oeuvre et que, par conséquent, le rapport entre le débit de charge d'hydrocarbures lourds introduit dans la partie aval et le débit d'hydrocarbures plus légers (en particulier éthane et essence) introduit dans la partie amont peut varier dans des proportions notables, par exemple dans un rapport compris entre 0,20 et 1,50 en poids.
  • On peut utiliser, pour mettre en oeuvre le procédé conforme à la présente invention, toutes les classes de catalyseurs ayant des capacités de craquage catalytique. Une catégorie particulièrement avantageuse est celle des catalyseurs ayant des structures poreuses dans lesquelles des molécules peuvent être mises en contact avec des sites actifs se trouvant dans les pores; dans cette classe, on trouve notamment les silicates ou les aluminosilicates. En particulier, des catalyseurs contenant de la zéolithe sont disponibles dans le commerce avec des supports contenant une diversité d'oxydes métalliques et de combinaisons desdites oxydes, notamment de la silice, de l'alumine, de la magnésie, des oxydes de titane, de baryum, et des mélanges de ces substances, ainsi que des mélanges desdits oxydes avec des argiles, pontées ou non. La composition de catalyseur peut naturellement contenir un ou plusieurs agents favorisant l'une ou l'autre étape du procédé. Le catalyseur pourra donc, en particulier, contenir des agents favorisant la combustion du coke lors de la régénération.
  • La présente invention va être décrite ci-après plus en détails, en référence à la figure unique figurant en annexe, qui illustre l'application de l'invention à un ensemble de conversion en lit fluidisé, à colonne ascendante ou "riser" et à deux chambres de combustion, convenant en particulier à la régénération complète d'un catalyseur susceptible d'être porté à haute température.
  • Le dispositif de conversion en phase fluidisée ascendante représenté sur cette figure comprend essentiellement une colonne 1, dite élévateur de charge, ou riser. Celui-ci est alimenté à sa base par la ligne 2 en grains de particules de catalyseur régénéré, en quantité régulée par une vanne 3. Les particules régénérées sont fluidisées par injection de vapeur ou de gaz arrivant par la ligne 4 à la base du riser, à l'aide d'un diffuseur 5.
  • Des gaz saturés légers comprenant en particulier de l'éthane sont alors introduits dans la colonne à l'aide du diffuseur 7 alimenté par la ligne 6 avec un complément de vapeur apporté par la ligne 10. La température supérieure à 750°C, et, de préférence, à 800°C, qui règne dans cette partie de la chambre, permet donc le craquage thermique à la vapeur de ces gaz légers saturés. En aval de cette première zone de vapocraquage, une coupe d'essence ou de gazole, injectée par un diffuseur 8 alimenté par la ligne 9, peut à son tour être craquée à un niveau de température plus faible, de l'ordre de 150 à 750°C. Un complément de vapeur peut en outre être apporté par la ligne 10′.
  • La charge d'hydrocarbures plus lourds que les gazoles est alors introduite dans le réacteur à l'aide d'un ou plusieurs injecteurs 11 alimentés par la ligne 12, en quantité telle que la température qui règne dans cette partie de la colonne 1 soit supérieure ou égale à la température de vaporisation de ladite charge. Il convient alors de ramener la température de mélange à une valeur plus propice au craquage catalytique, c'est-à-dire de l'ordre de 475 à 550°C, par pulvérisation d'hydrocarbures tels que des diluants légers (LCO) ou lourds (HCO), à l'aide de la ligne 13 qui alimente le ou les injecteurs 14.
  • La colonne 1 débouche à son sommet dans une enceinte 15, qui lui est par exemple concentrique et dans laquelle s'effectuent, d'une part, la séparation de la charge craquée et, d'autre part, le strippage des particules usées. Le système balistique de séparation, cyclonique ou non, est logé dans l'enceinte 15 et les hydrocarbures effluents sont évacués par une ligne d'évacuation 16, prévue au sommet de l'enceinte 15, tandis que les particules catalytiques usées redescendent vers la base de l'enceinte 15 où une ligne 17 alimente en gaz de strippage (généralement de la vapeur d'eau) des diffuseurs 18 disposés régulièrement à la base de cette enceinte 15. Les particules ainsi strippées sont évacués vers le régénérateur, par l'intermédiaire d'un conduit 19, sur lequel est prévue une vanne de régulation 20.
  • Le régénérateur représenté sur cette figure comporte ici une première zone 21 de combustion, en présence d'oxygène, du coke déposé sur les particules de catalyseur. Le coke est ainsi principalement brûlé à l'aide d'air, injecté à la barre du régénérateur par une ligne 22, qui alimente le diffuseur 23. Le gaz de combustion est séparé des grains de catalyseur dans le cyclone 24, d'où le gaz de combustion est évacué par une ligne 25, tandis que les particules catalytiques partiellement régénérées sont transférées au second étage 26 par le conduit central 27, alimenté en air par la ligne 28. La base de l'étage 26 peut être également alimentée en air par le diffuseur 29, alimenté par la ligne 30. Les grains de ce catalyseur régénéré sont évacués latéralement dans une enceinte tampon 31 et recyclés par le conduit 2 à l'alimentation de l'élévateur 1. Les gaz de combustion évacués à la partie supérieure de la chambre 26 sont traités dans un cyclone 32, qui est ici externe à la chambre et à partir de la base duquel les particules, du catalyseur sont retournées par le conduit 33 dans la chambre 26, tandis que les gaz de combustion sont évacués par la ligne 34.
  • Par ailleurs, les effluents de la réaction quittant la zone de strippage par la ligne 16 sont envoyés dans un dispositif de fractionnement schématiquement représenté en 35, permettant de séparer:
    • par la ligne 36, les gaz légers ou gaz secs, (composés en particulier d'hydrogène, de méthane, d'éthane, d'éthylène, d'hydrocarbures en C₃ à C₅ de NH₃ et d'H₂S), lesquels peuvent être ensuite traités dans un autre dispositif 37 de fractionnement, permettant, de façon connue en soi, de séparer l'éthane et l'éthylène par la ligne 38 et les hydrocarbures en C₃ à C₅ qui sortent par la ligne 39;
    • par la ligne 40, la coupe essence, dont l'intervalle d'ébullition s'étend généralement de la coupe C₅ jusque vers 160-220°C;
    • par la ligne 41, la coupe gazole, souvent appelée aussi LCO, dont l'intervalle d'ébullition s'étend généralement depuis 160-220°C (début de coupe) jusque vers 320-380°C (fin de coupe);
    • par la ligne 42, la coupe diluant lourd, souvent appelée aussi HCO, moins bien valorisée (base de fuel à faible viscosité) et dont l'intervalle d'ébullition est généralement compris entre 320-380°C (début de coupe) et 480-500°C (fin de coupe);
    • et, enfin, par la ligne 43, une coupe de résidu de distillation, qui contient les produits les plus lourds et les plus difficiles à craquer et des quantités plus ou moins importantes de fines de catalyseurs; ce résidu, qui a un point d'ébullition généralement supérieur à 400°C (mais qui peut également inclure tout le résidu de distillation de point d'ébullition supérieur à 320-380°C), est généralement appelé "slurry catalytique".
  • Selon un mode particulièrement avantageux de mise en oeuvre de la présente invention, l'éthane et l'éthylène provenant de la ligne 38 sont introduits dans un réacteur d'oligomérisation 44. Un dispositif de fractionnement 45 permet ensuite d'évacuer par la ligne 46 l'éthane et l'éthylène n'ayant pas réagi, tandis que les essences légères oléfiniques (dont la température d'ébullition est généralement comprise entre 30 et 100°C) sont extraites par la ligne 47. La ligne 46 permet alors de renvoyer l'éthane ainsi récupéré dans la partie amont du réacteur par la ligne 6, tandis que les essences légères peuvent être soit valorisées en tant que telles, soit vapocraquées par recycle dans la ligne 9, en vue, par exemple, de maximiser la production du propylène.
  • Enfin, une partie du HCO, issu de la zone de fractionnement 35 est ici recyclée par la ligne 42 vers la ligne 13 pour réguler la température de réaction en aval de la colonne 1. Cette régulation se fait à l'aide d'une vanne 48, dont le débit est par exemple réglé en fonction de la température mesurée à l'aide d'une sonde située de préférence à la sortie du réacteur.
  • De même, des vannes 49 et 50 permettent de réguler les quantités d'hydrocarbures légers introduites par les lignes 9 et 6 dans la partie amont de la zone réactionnelle, en fonction de la température mesurée dans cette partie, de façon à ce que cette température, comprise entre 650 et 850°C, permette d'y assurer le vapocraquage, conformément à la présente invention.
    • EXEMPLE
  • Les essais qui vont suivre ont été réalisés dans une même unité en phase fluidisée ascendante, possédant deux zones de régénération du type représenté sur la figure 1, à partir d'une coupe d'essence (coupe straight-run) et d'une charge A qui est ici un résidu de distillation atmosphérique d'un brut de type SHENGLI.
  • Ces charges présentent les caractéristiques suivantes:
    Figure imgb0001
  • On utilise un catalyseur commercial comprenant des zéolites ultra-stabilisées et une matrice propre à craquer les molécules d'hydrocarbures les plus lourds. Les conditions de cet essai, dans lequel on injecte successivement de l'éthane et de l'essence dans la partie amont de la zone réactionnelle, puis successivement la charge A et une quantité déterminée de HCO dans la partie aval, sont les suivantes:
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
  • Après récupération des effluents de la réaction de conversion, on analyse la nature de ces derniers. Les résultats d'analyse (en % en poids par rapport à la quantité totale d'hydrocarbures à convertir, c'est-à-dire par rapport à l'éthane, l'essence et au résidu de distillation atmosphérique) démontrent à eux seuls les avantages de la présente invention par rapport aux procédés de type conventionnel. Ces résultats sont les suivants:
    Figure imgb0004

Claims (9)

1. Procédé de conversion d'hydrocarbures pétroliers, en présence de particules de catalyseur en phase fluidisée, dans une zone réactionnelle tubulaire à flux ascendant ou descendant, ce procédé comprenant au moins une étape de vapocraquage d'au moins une coupe d'hydrocarbures légers, dans la partie amont de la zone réactionnelle et une étape de craquage catalytique d'au moins une coupe d'hydrocarbures lourds, dans la partie aval de ladite zone réactionnelle, une étape de séparation balistique des particules de catalyseur usé, une étape de régénération de ce catalyseur dans au moins une zone de combustion du coke déposé sur ces particules et une étape de recyclage des particules régénérées à l'alimentation de la zone réactionnelle, ce procédé étant caractérisé en ce que:
- le vapocraquage est réalisé par mise en contact, dans un lit fluidisé des particules de catalyseur, desdits hydrocarbures légers et d'une quantité de vapeur d'eau égale au moins à 20% en poids et, de préférence, comprise entre 30 et 50% en poids de la quantité d'hydrocarbures légers, la température résultant de ladite mise en contact étant comprise entre 650 et 850°C et, de préférence, entre 700 et 800°C;
- le craquage catalytique des hydrocarbures lourds est réalisé par injection dans la suspension de catalyseur des effluents provenant de la partie amont de la zone réactionnelle, de façon telle que la température de mélange soit d'abord supérieure à la température de vaporisation de la charge et comprise entre 500 et 650°C, puis soit ramenée à une température comprise entre 475 et 550°C par pulvérisation, immédiatement en aval de l'injection de la charge lourde, d'une coupe d'hydrocarbures entièrement vaporisable dans les conditions de sortie de la zone réactionnelle.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les coupes d'hydrocarbures légers, à vapocraquer comprennent des gaz légers saturés, des essences, des naphtas et/ou des gazoles.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits hydrocarbures légers sont injectés en au moins deux zones d'amont en aval de ladite zone réactionnelle, par ordre croissant de leur température d'ébullition, la coupe la plus légère étant introduite dans la zone la plus chaude.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les coupes d'hydrocarbures lourds à craquer catalytiquement comprennent des charges de type résidu de distillation atmosphérique ou sous vide, dont au mois 20% en poids possèdent une température d'ébullition supérieure à 550°C.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les hydrocarbures pulvérisés immédiatement en aval de l'injection de la charge lourde sont composés en majeure partie de recycles de HCO ou de LCO issus du fractionnement par distillation des effluents issus de la zone réactionnelle.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les hydrocarbures injectés dans la partie aval de la zone réactionnelle sont pulvérisés sous forme de gouttelettes dont au moins 80% ont un diamètre inférieure à 100 micromètres.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les particules de catalyseur sont régénérées par combustion du coke déposé sur celles-ci, dans deux chambres distinctes de combustion possédant chacune leurs propres moyens d'évacuation des effluents gazeux.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le rapport de la quantité de catalyseur sur la quantité de charge à craquer est compris entre 4,0 et 12,0 dans la partie aval du réacteur.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'éthylène issu du fractionnement des effluents de la réaction est envoyé dans un réacteur d'oligomérisation dont les effluents sont recyclés dans la partie amont du réacteur.
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