EP1505250B1 - Utilisation d'une turbine diphasique dans un procédé d'hydrotraitement - Google Patents

Utilisation d'une turbine diphasique dans un procédé d'hydrotraitement Download PDF

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EP1505250B1
EP1505250B1 EP04291934A EP04291934A EP1505250B1 EP 1505250 B1 EP1505250 B1 EP 1505250B1 EP 04291934 A EP04291934 A EP 04291934A EP 04291934 A EP04291934 A EP 04291934A EP 1505250 B1 EP1505250 B1 EP 1505250B1
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EP
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turbine
fluid
phase
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Yves Charron
Béatrice Fischer
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D31/00—Pumping liquids and elastic fluids at the same time
    • 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
    • C10G45/00—Refining of hydrocarbon oils using hydrogen or hydrogen-generating compounds
    • 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
    • C10G47/00—Cracking of hydrocarbon oils, in the presence of hydrogen or hydrogen- generating compounds, to obtain lower boiling fractions

Definitions

  • the invention relates to the field of hydrotreatment processes. It proposes to use a two-phase turbine in a hydrotreatment process.
  • hydrotreatment processes are in particular implemented by the petroleum industry for the treatment of petroleum effluents in combination with hydrogen.
  • hydrocracking consists in converting heavy hydrocarbons into light hydrocarbons and hydrorefining is mainly aimed at removing the sulfur, nitrogen and / or metals impurities contained in a hydrocarbon feedstock.
  • a hydrotreatment process comprises catalytic reactors, process units and flasks.
  • they can be at high pressure (about 10 MPa), at low pressure (between about 0.5 and 1 MPa), at high temperature (between about 250 ° C and 300 ° C) or at low temperature (about 50 ° C).
  • the conduits for connecting a high pressure balloon to a low pressure balloon are provided with a trigger valve.
  • the expansion valve reduces the pressure of the fluid transferred through the ducts.
  • the relaxation is performed at constant enthalpy and without energy recovery.
  • the invention proposes to recover the relaxation energy in the hydrotreatment processes.
  • the document GB-A-2,346,936 shows (see the single figure) a hydrotreatment process in which the energy is recovered using a cyclone 3 as separator of the gas and the liquid and then on the one hand bringing the gas to a turbine 7 monophasic gas and on the other hand the liquid to another turbine for liquid.
  • the two-phase turbine may be a rotodynamic turbine.
  • the single-phase turbine and the two-phase turbine may constitute a single machine comprising at least one impeller and at least one dispenser of monophasic design and at least one impeller and at least one distributor of two-phase design. Hydraulics of monophasic and two-phase design can be mounted on the same shaft.
  • one of said first, second and third devices may be an expansion valve or a turbine.
  • An advantage of the present invention is that it can recover energy in a hydrotreatment process.
  • the energy is recovered during the expansion of a fluid through a turbine.
  • the turbine shaft can be hitched to the shaft of a pump or compressor to compress a fluid.
  • the energy recovered on the turbine shaft can also be converted into electrical energy.
  • the figure 1 schematically represents a hydrotreatment process.
  • the feed C comprises hydrocarbons, for example vacuum distillates, diesel fuel resulting from conversion process and / or deasphalted residues.
  • This Charge C is pumped and sent to reaction section R.
  • Hydrogen H is required to effect the hydrotreatment reactions.
  • the hydrogen H is compressed to be also introduced into the reaction section R.
  • the reaction section R may comprise one or more reactors, not shown, at high temperature (for example between 350 ° C. and 450 ° C.) and at high temperature. pressure (for example between 5 MPa and 20 MPa).
  • the effluent from the reaction section R is sent to a separator tank 1 in which the liquid and vapor phases are separated at a temperature much lower than that of the temperature of the reaction section R.
  • the vapor phase from the separator 1 is returned by means of a compressor to the reaction section R to provide a sufficient hydrogen partial pressure.
  • the liquid phase in the flask 1 is at the bubble point at a pressure generally of between 5 and 20 MPa.
  • This liquid phase essentially comprises hydrocarbons: the heavy hydrocarbons of the feedstock, lighter hydrocarbons produced by cracking reactions in the reaction section R, hydrogen dissolved in a small amount, hydrogen sulfide in a small quantity from Desulfurization reactions in the reaction section R.
  • This liquid is discharged from the flask 1 through the conduit 2 to the device D, in which it is expanded before being sent to the low pressure section 6 to achieve the fractionation of the products of reaction. Stabilized products are discharged through line 24, for example to a storage area.
  • Section 6 also makes it possible to obtain combustible gas discharged through line 21, possibly liquefied petroleum gas discharged via line 22 (propane and butane) and possibly gasoline discharged through line 23. These last three products contain generally hydrogen sulfide. Section 6 is subjected to a pressure of between 0.5 and 1.5 MPa and at low temperature (for example between 20 ° C and 100 ° C).
  • the invention aims to improve the recovery of the energy generated by the relaxation performed in the device D.
  • the separator tank 1 and the low pressure section 6 constitute elements of an installation for implementing a hydrotreatment process as described by US Pat. figure 1 .
  • the other elements of the installation are not represented.
  • the balloon 1 contains a fluid at high pressure.
  • the conduit 2 brings the fluid from the balloon 1 into the monophasic turbine 3.
  • the fluid conveyed through the conduit 2 has a liquid volume ratio greater than 95%.
  • the fluid is expanded until the volume ratio of the fluid gas reaches 5%. Beyond a gas volume ratio of 5%, a monophasic turbine can no longer be used without risk of deterioration.
  • the fluid obtained after expansion in the turbine 3 is fed into the two-phase turbine 4 where it is expanded to the pressure prevailing in the low pressure section 6.
  • the conduit 5 brings the fluid from the turbine 4 to section 6 .
  • a monophasic turbine designates a turbine designed to relax a fluid having a gas volume ratio of less than 5%.
  • the monophasic turbine 3 may be a rotodynamic-type turbine, for example a machine provided with distributors and impellers constituting Francis-type hydraulics, or a volumetric-type turbine.
  • a single-phase turbine for example a multi-stage turbine, that is to say having several pairs of distributors and impellers
  • the expanded fluid must have a gas volume ratio of less than 5%. If the fluid is expanded to contain more than 5% by volume of gas, on the one hand the monophasic turbine may be damaged and on the other hand the efficiency of the monophasic turbine drops dramatic.
  • a monophasic turbine Upon expansion of a fluid having a gas volume ratio of less than 5% of gas, a monophasic turbine has a yield greater than 50%.
  • a two-phase turbine designates a turbine designed to relax a fluid having a gas volume ratio higher than 5%.
  • the two-phase turbine 4 may be a rotodynamic-type turbine comprising impellers and distributors, for example a machine as described by one of the following patents: FR 2,333,139 , FR 2,471,501 and FR 2,665,224 .
  • a two-phase turbine has a yield greater than 50% without risk of damage to the turbine.
  • the variant of the process according to the invention represented by figure 3 proposes to combine the monophasic and two-phase turbines into a single turbine 7.
  • the turbine 7 is a rotodynamic machine comprising impellers and distributors of monophasic design input and impellers and distributors of two-phase design output. All impellers and distributors are contained in the same housing. Monophasic and two-phase impellers can be mounted on the same shaft.
  • the fluid to be released from the flask 1 is introduced into the turbine 7 via the duct 2.
  • the fluid acts first on impellers and distributors of monophasic design until a gas content of 5% is reached. then on impellers and distributors of two-phase design until reaching the pressure of section 6.
  • the fluid is brought into section 6 via line 5.
  • the process schematically represented by figure 4 proposes to relax a fluid from the high pressure balloon 1 in a turbine 8, the expanded fluid being introduced into the low pressure section 6.
  • the turbine 8 may consist either of the succession (as described with reference to FIG. figure 2 ) of a monophasic turbine then of a two-phase turbine, either in a single machine (as described with reference to FIG. figure 3 ) having impellers and distributors constituting monophasic and diphasic hydraulics.
  • a first valve 9 is arranged in parallel with the turbine 8.
  • a second valve 10 is arranged in series with the turbine 8. The second valve 10 may be arranged upstream or downstream of the turbine 8.
  • the valve 10 is used to reduce the expansion on the turbine 8 in the case of a very strong expansion, that is to say in the case of a significant value of the difference between the pressure of the balloon 1 and that of the section. 6.
  • the turbine 8 performs an expansion of the high pressure fluid to an intermediate pressure, then the valve 10 performs a pressure expansion of the fluid intermediate pressure up to the low pressure in section 6.
  • the intermediate pressure has a value between the high pressure in balloon 1 and the low pressure in section 6.
  • the valve 9 is used to reduce the flow rate of the fluid flowing through the turbine 8. Part of the fluid from the balloon 1 is expanded by the valve 9, the other part of the fluid from the balloon 1 being expanded by the turbine 8.
  • the valves 9 and 10 can be replaced by turbines.

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Description

  • L'invention se rapporte au domaine des procédés d'hydrotraitement. Elle propose d'utiliser une turbine diphasique dans un procédé d'hydrotraitement.
  • Les procédés d'hydrotraitement sont notamment mis en oeuvre par l'industrie pétrolière pour le traitement des effluents pétroliers en association avec de l'hydrogène. Par exemple, l'hydrocraquage consiste à convertir les hydrocarbures lourds en hydrocarbures légers et l'hydroraffinage vise principalement à enlever les impuretées soufre, azote et/ou métaux, contenues dans une charge d'hydrocarbures.
  • De manière générale, un procédé d'hydrotraitement comporte des réacteurs catalytiques, des unités de traitement et des ballons. Suivant la fonction des ballons dans le procédé, ils peuvent être à haute pression (environ 10 MPa), à basse pression (entre environ 0,5 et 1 MPa), à température élevée (entre environ 250°C et 300°C) ou à basse température (environ 50°C). Les conduits permettant de relier un ballon haute pression vers un ballon basse pression sont munis d'une vanne de détente. La vanne de détente permet de réduire la pression du fluide transféré par les conduits. La détente est effectuée à enthalpie constante et sans récupération d'énergie.
  • L'invention propose de récupérer l'énergie de détente dans les procédés d'hydrotraitement.
  • Le document GB-A-2 346 936 montre (voir la seule figure) un procédé d'hydrotraitement dans lequel l'énergie est récupérée en utilisant un cyclone 3 comme séparateur du gaz et du liquide et en suite en amenant d'une part le gaz à une turbine 7 monophasique pour gaz et de l'autre part le liquide à une autre turbine 5 pour liquide.
  • De manière générale, l'invention concerne un procédé d'hydrotraitement comportant les étapes suivantes:
    1. a) on détend un fluide ayant un taux volumique de liquide égal ou supérieur à 95 % et ayant une pression P1 à travers une turbine monophasique pour obtenir un fluide ayant un taux volumique de gaz inférieur ou égal à 5 % et ayant une pression P2,
    2. b) on détend ledit fluide ayant un taux volumique de gaz inférieur ou égal à 5 % et ayant une pression P2 à travers une turbine diphasique pour obtenir un fluide ayant une pression P3.
  • Selon l'invention, la turbine diphasique peut être une turbine rotodynamique.
  • La turbine monophasique et la turbine diphasique peuvent constituer une machine unique comportant au moins un impulseur et au moins un distributeur de conception monophasique et au moins un impulseur et au moins un distributeur de conception diphasique. Les hydrauliques de conception monophasique et diphasique peuvent être montées sur un même arbre.
  • Le procédé d'hydrotraitement selon l'invention peut comporter les étapes:
    1. c) avant l'étape a), on prélève une partie dudit fluide haute pression,
    2. d) on détend ladite partie dudit fluide haute pression au moyen d'un premier dispositif.
  • Le procédé d'hydrotraitement selon l'invention peut également comporter l'une ou les étapes suivantes:
    1. e) avant l'étape a), on détend ledit fluide haute pression au moyen d'un deuxième dispositif.
    2. f) après l'étape b), on détend ledit fluide basse pression au moyen d'un troisième dispositif.
  • Selon l'invention, l'un desdits premier, deuxième et troisième dispositifs peut être une vanne de détente ou une turbine.
  • Un avantage de la présente invention est de pouvoir récupérer de l'énergie dans un procédé d'hydrotraitement. L'énergie est récupérée lors de la détente d'un fluide au travers une turbine. L'arbre de la turbine peut être attelé à l'arbre d'une pompe ou d'un compresseur pour compresser un fluide. L'énergie récupérée sur l'arbre de la turbine peut également être transformée en énergie électrique.
  • Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description donnée ci-après d'exemples non limitatifs de réalisation, en se référant aux dessins parmi lesquels:
    • la figure 1 représente schématiquement un procédé d'hydrotraitement,
    • la figure 2 représente schématiquement le procédé selon l'invention,
    • les figures 3 et 4 représentent des variantes du procédé selon l'invention.
  • La figure 1 représente schématiquement un procédé d'hydrotraitement. La charge C comporte des hydrocarbures, par exemple des distillats sous vide, du gazole issu de procédé de conversion et/ou des résidus désasphaltés. Cette charge C est pompée et envoyée dans la section de réaction R. De l'hydrogène H est nécessaire pour effectuer les réactions d'hydrotraitement. L'hydrogène H est comprimé pour être également introduit dans la section de réaction R. La section de réaction R peut comporter un ou plusieurs réacteurs, non représentés, à haute température (par exemple entre 350°C et 450°C) et à haute pression (par exemple entre 5 MPa et 20 MPa). L'effluent issu de la section de réaction R est envoyé dans un ballon séparateur 1 dans lequel les phases liquide et vapeur sont séparées, à une température très inférieure à celle de la température de la section de réaction R. La phase vapeur issue du séparateur 1 est renvoyée à l'aide d'un compresseur vers la section de réaction R pour y assurer une pression partielle d'hydrogène suffisante. La phase liquide dans le ballon 1 est au point de bulle à une pression généralement comprise entre 5 et 20 MPa. Cette phase liquide comprend essentiellement des hydrocarbures : les hydrocarbures lourds de la charge, des hydrocarbures plus légers produits par des réactions de craquage dans la section de réaction R, de l'hydrogène dissous en faible quantité, de l'hydrogène sulfuré en faible quantité provenant des réactions de désulfuration dans la section de réaction R. Ce liquide est évacué du ballon 1 par le conduit 2 vers le dispositif D, dans lequel il est détendu avant d'être envoyé dans la section basse pression 6 pour réaliser le fractionnement des produits de réaction. Les produits stabilisés sont évacués par le conduit 24, par exemple vers une zone de stockage. La section 6 permet également d'obtenir du gaz combustible évacué par le conduit 21, éventuellement du gaz de pétrole liquéfié évacué par le conduit 22 (propane et butane) et éventuellement de l'essence évacuée par le conduit 23. Ces trois derniers produits contiennent généralement de l'hydrogène sulfuré. La section 6 est soumise à une pression comprise entre 0,5 et 1,5 MPa et à basse température (par exemple entre 20°C et 100°C).
  • L'invention, détaillée par les figures 2 à 4, vise à améliorer la récupération de l'énergie engendrée par la détente effectuée dans le dispositif D.
  • Sur la figure 2, le ballon séparateur 1 et la section basse pression 6 constituent des éléments d'une installation de mise en oeuvre d'un procédé d'hydrotraitement tel que décrit par la figure 1. Les autres éléments de l'installation ne sont pas représentés.
    Le ballon 1 contient un fluide à haute pression. Le conduit 2 amène le fluide du ballon 1 dans la turbine monophasique 3. Le fluide convoyé par le conduit 2 comporte un taux volumique de liquide supérieur à 95 %. Dans la turbine 3, le fluide est détendu jusqu'à ce que le taux volumique de gaz du fluide atteigne 5 %. Au-delà d'un taux volumique de gaz de 5 % une turbine monophasique ne peut plus être utilisée sans risque de détérioration. Le fluide obtenu après détente dans la turbine 3 est amené dans la turbine diphasique 4 où il est détendu jusqu'à la pression régnant dans la section basse pression 6. Le conduit 5 amène le fluide issu de la turbine 4 jusqu'à la section 6.
  • Dans la présente description, une turbine monophasique désigne une turbine conçue pour détendre un fluide possédant un taux volumique de gaz inférieur à 5 %. La turbine monophasique 3 peut être une turbine de type rotodynamique, par exemple une machine munie de distributeurs et d'impulseurs constituant des hydrauliques de type Francis, ou une turbine de type volumétrique. En sortie d'une turbine monophasique, (par exemple une turbine multi-étagée, c'est à dire comportant plusieurs couples de distributeurs et d'impulseurs) le fluide détendu doit posséder un taux volumique de gaz inférieur à 5 %. Si le fluide est détendu de manière à contenir plus de 5 % volumique de gaz, d'une part la turbine monophasique risque d'être détériorée et d'autre part le rendement de la turbine monophasique chute de manière dramatique. Lors d'une détente d'un fluide possédant un taux volumique de gaz inférieur à 5 % de gaz, une turbine monophasique possède un rendement supérieur à 50 %.
  • Dans la présente description, une turbine diphasique désigne une turbine conçue pour détendre un fluide possédant un taux volumique de gaz supérieur à 5 %. La turbine diphasique 4 peut être une turbine de type rotodynamique comportant des impulseurs et des distributeurs, par exemple une machine telle que décrite par l'un des brevets suivants: FR 2 333 139 , FR 2 471 501 et FR 2 665 224 . Lors d'une détente d'un fluide possédant un taux volumique de gaz supérieur à 5 % de gaz, une turbine diphasique possède un rendement supérieur à 50 % sans risque de détérioration de la turbine.
  • Les exemples suivants indiquent l'énergie récupérée en utilisant le dispositif décrit en référence avec la figure 2.
    • Exemple 1 :
    • Ballon 1 à 10 MPa et 50°C,
    • Section 6 à 1,2 MPa
    • Débit de 176 t/hr (c'est à dire 44 kg/s)
    On récupère 170 kW dans la turbine 3 jusqu'à ce que le fluide atteigne un taux volumique de gaz d'environ 5 %, puis on récupère 300 kW dans la turbine 4. Exemple 2 :
    • Ballon 1 à 10,3 MPa et 260°C,
    • Section 6 à 0,6 MPa
    • Débit de 229 t/hr (c'est à dire 56 kg/s)
    On récupère 200 kW dans la turbine 3 jusqu'à ce que le fluide atteigne un taux volumique de gaz d'environ 5 %, puis on récupère 650 kW dans la turbine 4.
  • Les numéros de référence des figures 3 et 4 qui sont identiques aux numéros de référence de la figure 2 désignent des éléments identiques.
  • La variante du procédé selon l'invention représenté par la figure 3 propose de réunir les turbines monophasique et diphasique en une unique turbine 7. La turbine 7 est une machine rotodynamique comportant des impulseurs et des distributeurs de conception monophasique en entrée et des impulseurs et des distributeurs de conception diphasique en sortie. L'ensemble des impulseurs et des distributeurs est contenu dans un même carter. Les impulseurs monophasiques et diphasiques peuvent être montés sur un même arbre. Le fluide à détendre issu du ballon 1 est introduit dans la turbine 7 par le conduit 2. Dans la turbine 7 le fluide agit en premier sur des impulseurs et des distributeurs de conception monophasique jusqu'à atteindre un taux volumique de gaz de 5 %, puis sur des impulseurs et des distributeurs de conception diphasique jusqu'à atteindre la pression de la section 6. En sortie de la turbine 7, le fluide est amené dans la section 6 par le conduit 5.
  • Le procédé représenté schématiquement par la figure 4 propose de détendre un fluide issu du ballon haute pression 1 dans une turbine 8, le fluide détendu étant introduit dans la section basse pression 6. La turbine 8 peut consister soit en la succession (telle que décrit en référence à la figure 2) d'une turbine monophasique puis d'une turbine diphasique, soit en une machine unique (telle que décrit en référence à la figure 3) possédant des impulseurs et distributeurs constituant des hydrauliques monophasique et diphasique. Une première vanne 9 est disposée en parallèle par rapport à la turbine 8. Une deuxième vanne 10 est disposée en série avec la turbine 8. La deuxième vanne 10 peut être disposée en amont ou en aval de la turbine 8.
    La vanne 10 est utilisée pour diminuer la détente sur la turbine 8 dans le cas d'une très forte détente, c'est à dire dans le cas d'une valeur importante de la différence entre la pression du ballon 1 et celle de la section 6. La turbine 8 effectue une détente du fluide haute pression jusqu'à une pression intermédiaire, puis la vanne 10 effectue une détente du fluide à pression intermédiaire jusqu'à la basse pression régnant dans la section 6. La pression intermédiaire a une valeur comprise entre la haute pression régnant dans ballon 1 et la basse pression régnant dans la section 6.
    La vanne 9 est utilisée pour réduire le débit du fluide circulant à travers la turbine 8. Une partie du fluide issu du ballon 1 est détendue par la vanne 9, l'autre partie du fluide issu du ballon 1 étant détendue par la turbine 8.
    Les vannes 9 et 10 peuvent être remplacées par des turbines.

Claims (9)

  1. Procédé d'hydrotraitement comportant les étapes suivantes:
    a) on détend un fluide ayant un taux volumique de liquide égal ou supérieur à 95 % et ayant une pression P1 à travers une turbine monophasique pour obtenir un fluide ayant un taux volumique de gaz inférieur ou égal à 5 % et ayant une pression P2,
    b) on détend ledit fluide ayant un taux volumique de gaz inférieur ou égal à 5 % et ayant une pression P2 à travers une turbine diphasique pour obtenir un fluide ayant une pression P3.
  2. Procédé d'hydrotraitement selon la revendication 1, dans lequel la turbine diphasique est une turbine rotodynamique.
  3. Procédé d'hydrotraitement selon la revendication 2, dans lequel la turbine monophasique et la turbine diphasique constituent une machine unique comportant au moins un impulseur et au moins un distributeur de conception monophasique et au moins un impulseur et au moins un distributeur de conception diphasique.
  4. Procédé d'hydrotraitement selon la revendication 3, dans lequel lesdites hydrauliques de conception monophasique et diphasique sont montées sur un même arbre.
  5. Procédé d'hydrotraitement selon l'une des revendications précédentes, comportant les étapes:
    c) avant l'étape a), on prélève une partie dudit fluide haute pression,
    d) on détend ladite partie dudit fluide haute pression au moyen d'un premier dispositif.
  6. Procédé d'hydrotraitement selon l'une des revendications précédentes, comportant l'étape suivante:
    e) avant l'étape a), on détend ledit fluide haute pression au moyen d'un deuxième dispositif.
  7. Procédé d'hydrotraitement selon l'une des revendications précédentes, comportant l'étape suivante:
    f) Après l'étape b), on détend ledit fluide basse pression au moyen d'un troisième dispositif.
  8. Procédé d'hydrotraitement selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel l'un desdits premier, deuxième et troisième dispositifs est une vanne de détente.
  9. Procédé d'hydrotraitement selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel l'un desdits premier, deuxième et troisième dispositifs est une turbine.
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