FR3104467A1 - Dispositif et procédé de séparation gaz-solide de craquage catalytique en lit fluidisé avec déflecteur sous fenêtre - Google Patents

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Damien Leinekugel Le Cocq
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Abstract

Dispositif et un procédé de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides comprenant une pluralité de chambres de séparation (12) et de préstripage (13) réparties autour d’un réacteur central (14), chaque chambre de préstripage (13) comprenant une paroi périphérique (25), deux parois latérales sensiblement verticales (20) qui sont aussi les parois latérales des chambres de séparation (12), une ouverture d’entrée inférieure (24) de gaz de stripage adaptée pour communiquer avec une chambre de stripage (23), et une ouverture de sortie supérieure (31) du mélange gazeux et du gaz de stripage adaptée pour communiquer avec un second étage de séparation, dans lequel un déflecteur (28) est disposé entre la chambre de stripage (23) et la chambre de préstripage (13) et est adapté pour dévier le gaz de stripage ascendant et contraindre ledit gaz de stripage à avoir au moins un mouvement sensiblement horizontal. Figure 4 à publier

Description

Dispositif et procédé de séparation gaz-solide de craquage catalytique en lit fluidisé avec déflecteur sous fenêtre
L'invention concerne le domaine du raffinage et de la pétrochimie et des procédés et dispositifs de transformation chimique de produits pétroliers notamment d’un brut pétrolier par craquage catalytique en lit fluidisé («fluid catalytic cracking» ou FCC selon la terminologie anglo-saxonne).
Une unité FCC est classiquement utilisée dans le raffinage pour convertir une charge lourde, caractérisée par une température de début d’ébullition proche de 340°C, souvent supérieure à 380°C, en produits plus légers pouvant être utilisés comme carburants, notamment en essence, premier produit d’une unité FCC, caractérisé par des températures de début d’ébullition proche de l’ambiant et par des températures de fin d’ébullition de 160°C voire 220°C selon que l’on parle d’essence légère ou pas.
La figure 1 présente un schéma d'unité FCC de référence. Une charge 1 pulvérisée sous forme de fines gouttes est introduite au fond d'un réacteur à lit entrainé gaz-solide ascendant 2 («riser» selon la terminologie anglo-saxonne; nommé ci-après réacteur central) où elle est mélangée à une source de catalyseur solide 3 provenant d'un régénérateur 4. En tête de réacteur central 2, le mélange gaz/solide est séparé dans une enceinte de séparation 5 comprenant notamment un séparateur interne 6. En sortie du séparateur interne 6, un gaz est dirigé vers un second étage de séparation (cyclone 7) afin d’éliminer les fines particules solides présentes dans le gaz. Des particules solides (i.e., catalyseur coké) issues du séparateur interne 6 sont également distribuées vers une chambre de stripage 8, dans laquelle les particules solides sont mises en contact à contre-courant avec un gaz de stripage afin de libérer les potentiels hydrocarbures restés adsorbés à la surface du catalyseur coké. Le gaz de stripage et les hydrocarbures désorbés rejoignent le gaz précédemment séparé tandis que le catalyseur coké est soutiré en continu en pied de la chambre de stripage 8. Le catalyseur coké est ensuite dirigé vers la base du régénérateur 4 où la combustion exothermique du coke régénère et chauffe le catalyseur. Enfin, le catalyseur régénéré et chauffé est réinjecté en fond de réacteur central 2 afin d’entretenir les réactions de craquage catalytique.
Le brevet FR2767715 décrit une première enceinte de séparation d’une unité FCC développée par IFP Energies nouvelles. En référence à la figure 2, le séparateur interne de l’enceinte de séparation comprend une enveloppe 111 contenant des chambres de séparation 112 et des chambres de préstripage 113, reparties axialement autour d’une extrémité haute d’un réacteur central 114, les chambres de séparation 112 et les chambres de préstripage 113 étant disposées de manière alternée autour du réacteur central 114. Chaque chambre de séparation 112 comporte en sa partie supérieure une ouverture d’entrée supérieure 115 communiquant avec le réacteur central 114 et disposée entre une paroi supérieure 116 et une paroi inférieure 117 de la chambre de séparation 112. La paroi supérieure 116 et la paroi inférieure 117 étant sensiblement horizontales à leur jonction avec le réacteur central 114, celles-ci s'incurvent ensuite vers le bas pour devenir une paroi externe 118 et une paroi interne 119 sensiblement verticales, respectivement, la courbure délimitant une zone d’enroulement ou de centrifugation pour la mise en rotation dans un plan vertical du mélange réactionnel gaz-particules. Chaque chambre de séparation 112 comporte en outre deux parois latérales verticales 120 qui forment aussi les parois des chambres de préstripage 113. Au moins une des parois latérales verticales 120 de chaque chambre de séparation 112 comporte une ouverture latérale de sortie 121 en dessous de l’ouverture d’entrée supérieure 115 pour envoyer du gaz et des particules solides non-séparées dans la chambre de préstripage 113 adjacente. Chaque chambre de séparation 112 comporte en outre une ouverture de sortie axiale inférieure 122 des particules solides vers une chambre de stripage 123 («stripper» selon la terminologie anglo-saxonne) disposée en-dessous du séparateur interne et comprenant au moins une arrivée de gaz de stripage. De même, chaque chambre de préstripage 113 comprend en sa partie inférieure une ouverture d’entrée inférieure 124 laissant entrer le gaz de stripage ascendant. Enfin, le séparateur interne comprend en outre un conduit d’évacuation supérieur 125 du gaz connecté à la chambres de préstripage 113 via une ouverture de sortie supérieure et raccordé à un étage de cyclones (non montré) disposé au-dessus du séparateur interne, la chambre de stripage 123 communiquant principalement avec l’étage de cyclones via les chambres de préstripage 113 et le conduit d’évacuation supérieur 125.
Le brevet FR2894842 décrit une deuxième enceinte de séparation d’une unité FCC développée par IFP Energies nouvelles dans laquelle l’extrémité inférieure de chaque chambre de préstripage comprend une paroi descendante oblique fixée sur la paroi interne de l’enveloppe.
La demande US20180216012 décrit une troisième enceinte de séparation similaire aux enceintes de séparation d’IFP Energies nouvelles, dans laquelle les chambres de séparation du séparateur interne sont connectées les unes aux autres au moyen d’une jambe de retour («dipleg» selon la terminologie anglo-saxonne) commune, la jambe de retour commune desdites chambres de séparation comprenant des déflecteurs à particules solides descendantes pour réduire le réentraînement du catalyseur dans les chambres de séparation.
Des particules solides non-séparées pouvant être entrainées à partir des séparateurs de l’art antérieur vers l’étage de cyclones, un premier objet de la présente description est de diminuer l’entrainement des particules solides dans les chambres de préstripage, et contribuer ainsi à augmenter l’efficacité des séparateurs gaz/solide des unités FCC. A cette fin, un dispositif et un procédé de séparation et de stripage capable de dévier le gaz de stripage (provenant de la chambre de stripage) en l’obligeant à avoir au moins un mouvement horizontal entre la chambre de stripage et la chambre de préstripage, est décrit ci-après.
Selon un premier aspect, la présente invention concerne un dispositif de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides comprenant une pluralité de chambres de séparation et une pluralité de chambres de préstripage réparties de manière alternée autour d’un réacteur central, dans lequel chaque chambre de séparation comprend: une paroi externe; une ouverture d’entrée supérieure du mélange gazeux et des particules solides adaptée pour communiquer avec le réacteur central; une ouverture de sortie axiale inférieure des particules solides adaptée pour communiquer avec une chambre de stripage disposée en dessous de la chambre de séparation; et deux parois latérales sensiblement verticales qui sont aussi les parois latérales des chambres de préstripage, au moins une des parois latérales de chaque chambre de séparation comportant une ouverture latérale de sortie du mélange gazeux, communiquant avec une chambre de préstripage adjacente, et dans lequel chaque chambre de préstripage comprend: une paroi périphérique; une ouverture d’entrée inférieure de gaz de stripage adaptée pour communiquer avec la chambre de stripage; et une ouverture de sortie supérieure du mélange gazeux et du gaz de stripage adaptée pour communiquer avec un second étage de séparation, le dispositif de séparation et de stripage comprenant en outre un déflecteur disposé entre la chambre de stripage et la chambre de préstripage adapté pour dévier le gaz de stripage ascendant et contraindre ledit gaz de stripage à avoir au moins un mouvement sensiblement horizontal.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur est adjacent à l’ouverture d’entrée inférieure de la chambre de préstripage.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur est positionné directement sous l’ouverture d’entrée inférieure de la chambre de préstripage.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur comprend un corps principal sensiblement horizontal.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le corps principal présente un angle β compris entre 60° et 120° par rapport à l’axe central du réacteur central.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le corps principal est fixé sur la paroi externe du réacteur central et/ou sur au moins une des parois latérales sensiblement verticales des chambres de séparation.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi périphérique comprend une partie inférieure conique sous la forme d’une paroi oblique descendant vers l’intérieur, et le corps principal présente une forme de portion de couronne, dont le grand rayon est égal ou supérieur au rayon de l’extrémité interne de la paroi oblique descendante.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la surface d’entrée entre la paroi oblique descendante et le déflecteur est sensiblement égale à la surface d’entrée de l’ouverture d’entrée inférieure.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur comprend un rebord s’étendant vers le haut et étant disposé sur l’extrémité externe du corps principal.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rebord s’étend vers l’extérieur et présente un angle compris entre 0° et 60° par rapport à l’axe central du réacteur central.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi périphérique comprend une partie inférieure conique sous la forme d’une paroi oblique descendant vers l’intérieur, et l’extrémité haute du rebord est à une hauteur sensiblement égale ou supérieure à la hauteur de l’extrémité interne de la paroi oblique descendante.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, au moins une partie du déflecteur comprend un garnissage ou une plaque perforée.
Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne une enceinte de séparation d’une unité de craquage catalytique en lit fluidisé comprenant le dispositif de séparation et de stripage selon le premier aspect.
Selon un troisième aspect, la présente invention concerne une unité de craquage catalytique en lit fluidisé comprenant le dispositif de séparation et de stripage selon le premier aspect ou l’enceinte de séparation selon le deuxième aspect.
Selon un quatrième aspect, la présente invention concerne un procédé de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides utilisant le dispositif de séparation et de stripage selon le premier aspect, l’enceinte de séparation selon le deuxième aspect, ou l’unité de craquage catalytique en lit fluidisé selon le troisième aspect, ledit procédé comprenant de dévier le gaz de stripage ascendant entre la chambre de stripage et la chambre de préstripage et contraindre ledit gaz de stripage à avoir au moins un mouvement sensiblement horizontal. Avantageusement, le gaz de stripage ascendant est dévié par le déflecteur pour contraindre ledit gaz de stripage à avoir au moins un mouvement sensiblement horizontal.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention des aspects précités, apparaîtront à la lecture de la description ci-après et d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Liste des figures
La figure 1 montre un schéma d’une unité FCC de référence.
La figure 2 montre une vue en perspective d'une enceinte de séparation d’une unité FCC de référence.
La figure 3 montre une coupe verticale A de chambres de séparation d’un dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention.
La figure 4 montre une coupe verticale B de chambres de préstripage d’un dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention.
La figure 5 montre une vue de dessus d’une coupe transversale C des chambres de séparation et des chambres de préstripage d’un dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention.
La figure 6 montre une coupe verticale de chambres de stripage et de préstripage simplifiées de référence, avec ouverture simple verticale entre lesdites chambres.
La figure 7 montre une coupe verticale de chambres de stripage et de préstripage simplifiées, avec ouverture pourvue d’un déflecteur selon la présente invention.
La figure 8 montre les estimations par simulation CFD 3D de l’entrainement de particules solides dans les chambres de stripage et de préstripage simplifiées de la figure 6.
La figure 9 montre les estimations par simulation CFD 3D de l’entrainement de particules solides dans les chambres de stripage et de préstripage simplifiées de la figure 7.
Les flèches en pointillé des figures représentent l’écoulement fluidique (gaz et particules).
Description détaillée de l'invention
Des modes de réalisation du dispositif selon le premier aspect vont maintenant être décrits en détail. Dans la description détaillée suivante, de nombreux détails spécifiques sont exposés afin de fournir une compréhension plus approfondie du dispositif. Cependant, il apparaîtra à l’homme du métier que le dispositif peut être mis en œuvre sans ces détails spécifiques. Dans d’autres cas, des caractéristiques bien connues n’ont pas été décrites en détail pour éviter de compliquer inutilement la description.
Dans ce qui suit, le terme « comprendre » est synonyme de (signifie la même chose que) « inclure » et « contenir », et est inclusif ou ouvert et n’exclut pas d’autres éléments non récités. Il est entendu que le terme « comprendre » inclut le terme exclusif et fermé « consister ».
Le dispositif de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides selon la présente invention est applicable aux unités de séparation gaz/solide, et plus particulièrement aux séparateurs internes des enceintes de séparation des unités FCC.
En référence aux figures 3, 4 et 5, le dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention comprend une pluralité de chambres de séparation 12 et une pluralité de chambres de préstripage 13 réparties de manière alternée autour (e.g. de l’extrémité haute) d’un réacteur central 14, de forme (e.g. tubulaire) sensiblement verticale et allongée, fermé par une section supérieure, et dans lequel circulent le mélange gazeux et les particules solides à séparer.
Selon un ou plusieurs modes de réalisations, le dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention est un séparateur interne disposé dans l’enveloppe 11 d’une enceinte de séparation 10 d’une unité FCC.
La charge du réacteur central 14 est généralement une charge lourde, caractérisée par une température de début d’ébullition proche de 340°C, souvent supérieure à 380°C, telle qu’une coupe lourde, par exemple issue d’une unité de distillation sous vide, telle que du gazole sous vide («vacuum gas oil» ou «VGO» selon la terminologie anglo-saxonne), un résidu sous vide, un gasoil de cokéfaction, un recycle d’une étape d’hydrocraquage, seuls ou en mélange. Au contact du catalyseur solide chaud, la charge pulvérisée se vaporise et des réactions endothermiques de craquage se produisent le long du réacteur central 14 diminuant ainsi la température et produisant des produits valorisables (e.g. du gaz C1-C4; une coupe essence; une coupe gasoil léger (« Light Cycle Oil » ou LCO selon la terminologie anglo-saxonne); une coupe gasoil lourd (« Heavy Cycle Oil » ou HCO selon la terminologie anglo-saxonne); et une huile en forme de boue (« slurry » selon la terminologie anglo-saxonne)) et un résidu solide (coke) adsorbé sur le catalyseur (nommé ci-après particules solides). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les conditions opératoires du réacteur central 14 sont les suivantes: vitesse superficielle gaz: entre 3 et 35 m/s; température: entre 500 et 700°C et de préférence inférieure à 650°C; pression: entre 0,1 et 0,6 MPaa; temps de contact inférieur à 1 seconde; et un rapport massique du catalyseur sur la charge C/O: entre 3 et 50.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les chambres d'un même type, séparation 12 ou préstripage 13, ont généralement la même dimension, en particulier une section horizontale avec le même angle d'ouverture par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les chambres de séparation 12 et de préstripage 13, ont la même dimension, en particulier une section horizontale avec le même angle d'ouverture par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les chambres de séparation 12 et/ou les chambres de préstripage 13 présentent des sections horizontales avec des angles d'ouverture différents. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, il existe une symétrie axiale des chambres autour de l'axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le nombre de chambres de séparation 12 varie entre 1 et 8, préférentiellement entre 2 et 4. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le nombre de chambres de préstripage 13 varie entre 1 et 8, préférentiellement entre 2 et 4. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le nombre de chambres de séparation 12 et le nombre de chambres de préstripage 13 sont identiques. Les chambres de séparation 12 et le réacteur central 14 forment un premier ensemble solidaire. Les chambres de préstripage 13 sont délimitées par une paroi périphérique et la paroi externe du réacteur central 14. Il est à noter que l’enveloppe 11 s'étend au-delà du secteur angulaire correspondant aux chambres de séparation 12 et de préstripage 13 de telle sorte que les parois externes/périphériques des chambres de séparation 12 et de préstripage 13 soient contenues dans l'enveloppe externe 11.
Chaque chambre de séparation 12 comporte en sa partie supérieure une ouverture d’entrée supérieure 15 communiquant avec le réacteur central 14 et disposée entre une paroi supérieure 16 et une paroi inférieure 17 sensiblement (e.g. ± 10°) horizontales à leur jonction avec le réacteur central 14. Le flux gazeux chargé en particules solides issu du réacteur central 14 passe intégralement dans les chambres de séparation 12 par l'intermédiaire des ouvertures d’entrée supérieures 15, car le réacteur central 14 présente une section supérieure fermée située sensiblement au niveau ou au-dessus de la partie supérieure des ouvertures d’entrée supérieures 15, i.e., au niveau ou au-dessus de la paroi supérieure 16 sensiblement horizontale.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, chaque chambre de séparation 12 comprend en outre une zone de centrifugation permettant de séparer les particules solides du mélange gazeux au moyen de la paroi supérieure 16 et de la paroi inférieure 17, celles-ci s'incurvant vers le bas pour devenir une paroi externe 18 et une paroi interne 19 sensiblement (e.g. ± 10°) verticales, respectivement, la courbure délimitant la zone de centrifugation. La zone de centrifugation est définie de manière à permettre la mise en rotation (voir flèches en pointillé de la figure 3) dans un plan sensiblement vertical (i.e., coupe verticale A) du mélange gazeux et des particules solides. Les particules solides ayant un mouvement sensiblement vertical et ascendant en sortie du réacteur central 14 se retrouvent en sortie de ladite zone de centrifugation avec un mouvement sensiblement vertical et descendant.
Chaque chambre de séparation 12 comporte (est délimitée par) une paroi externe 18 disposée entre l’enveloppe 11 et le réacteur central 14, une paroi interne confondue avec la paroi externe du réacteur central 14, et deux parois latérales sensiblement (e.g. ± 10°) verticales 20 qui forment aussi les parois latérales sensiblement verticales 20 des chambres de préstripage 13. Au moins une des parois latérales sensiblement verticales 20 de chaque chambre de séparation 12 comporte une ouverture latérale de sortie 21 disposée en dessous de l’ouverture d’entrée supérieure 15 (e.g. (directement) en dessous de la paroi inférieure 17 sensiblement horizontale et entre la paroi interne 19 sensiblement verticale et la paroi externe du réacteur central 14) adaptée notamment pour distribuer le mélange gazeux et éventuellement des particules solides non-séparées vers une chambre de préstripage 13 adjacente. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’ouverture latérale de sortie 21 s'étend verticalement au moins jusqu’au bord inférieur de la paroi interne sensiblement verticale 19 de la chambre de séparation 12, et/ou jusqu'à une cote correspondant sensiblement (e.g. ± 10%) au plus grand diamètre de la paroi externe sensiblement verticales 18 de la chambre de séparation 12. Le bord inférieur de l’ouverture latérale de sortie 21 se situe préférentiellement à un niveau supérieur ou égal au bord inférieur de la paroi interne sensiblement verticale 19.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi supérieure sensiblement horizontale 16 de la chambre de séparation 12 s'incurve de préférence jusqu'à un diamètre D1 de la paroi externe 18, puis la paroi externe sensiblement verticale 18 se prolonge de préférence par une portion verticale et/ou conique jusqu’à un diamètre D2 inférieur ou égal au diamètre D1, puis se prolonge éventuellement encore par une portion d’extrémité sensiblement (e.g. ± 10°) verticale appelée jambe de retour. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la longueur de la portion verticale et/ou conique de la paroi externe 18 est supérieure ou égale à la longueur de la paroi interne 19.
Chaque chambre de séparation 12 comporte en outre dans sa partie inférieure, une ouverture de sortie axiale inférieure 22, par exemple pour envoyer les particules solides séparées vers une chambre de stripage 23 (e.g. d’une enceinte de séparation d’une unité FCC) disposée en dessous de la chambre de séparation 12 (et de la chambre de préstripage 13), les particules solides contactant un gaz de stripage (e.g. vapeur d’eau) à contre-courant dans la chambre de stripage. Spécifiquement, l’extrémité inférieure de la paroi externe sensiblement verticale 18, en combinaison avec la paroi externe du réacteur central 14 et les extrémités inférieures des parois latérales verticales 20 délimitent l’ouverture de sortie axiale inférieure 22 et permettent une sortie sensiblement axiale descendante des particules solides contenues dans la chambre de séparation 12. Ainsi, l’ouverture de sortie axiale inférieure 22 est située en dessous de l’ouverture latérale de sortie 21.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la chambre de stripage 23, comprend des moyens d’uniformisation de l’écoulement des particules solides situés dans la partie supérieure de ladite chambre de stripage 23, permettant notamment de favoriser le contact entre lesdites particules solides et le gaz de stripage. Ces moyens favorisant l'uniformisation de l'écoulement gaz solide peuvent être des plaques inclinées disposées en chicanes, des garnissages («packing» selon la terminologie anglo-saxonne) optionnellement structurés ou d'autres moyens dont une description non limitante peut être trouvée dans les brevets US 2440620, US2472502, US 2481439 ou US 6224833 ou dans des livres tels que "matériel et équipement", tome 4 de l'encyclopédie le raffinage du pétrole, de P. Trambouze édité aux éditions Technip, 1999.
En référence aux figures 4 et 5, chaque chambre de préstripage 13 comprend une paroi périphérique 25. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi périphérique 25 comprend une partie supérieure de section sphérique ou ovoïde 26 prolongée vers le bas par une partie centrale de section verticale. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la partie supérieure de la paroi périphérique 25 ne comprend pas de partie supérieure de section sphérique ou ovoïde 26 et comprend (uniquement) une partie supérieure de section verticale (non montrée). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la partie centrale verticale est prolongée par une partie inférieure conique sous la forme d’une paroi oblique 27 descendant vers l’intérieur (i.e.,vers l’axe Z). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi périphérique 25 est fixée aux parois latérales sensiblement verticales 20. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi oblique descendante 27 présente un angle α compris entre 5° et 60° par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi oblique descendante 27 présente un angle α compris entre 10° et 45° par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi oblique descendante 27 présente un angle α de 15° (e.g. ± 3°) par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14.
Chaque chambre de préstripage 13 comporte en outre dans sa partie inférieure, une ouverture d’entrée inférieure 24 laissant entrer le gaz de stripage ascendant, pour communiquer notamment avec la chambre de stripage 23, et étant définie par exemple par l’extrémité inférieure de la paroi oblique descendante 27, les deux parois latérales sensiblement verticales 20, et la paroi externe du réacteur central 14.
Le dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention comprend un déflecteur 28 pour dévier le gaz de stripage ascendant et contraindre ledit gaz à avoir au moins un mouvement sensiblement (e.g. ± 20°, préférablement ± 10°, préférablement ± 5°) horizontal. Avantageusement, le déflecteur 28 permet de diminuer l’entrainement du solide vers les chambres de préstripage 13, et contribuer ainsi à augmenter l’efficacité de séparation de l’enceinte de séparation.
En référence aux figures 4 et 5, le déflecteur 28 est disposé entre la chambre de stripage 23 et la chambre de préstripage 13. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur 28 est adjacent à l’ouverture d’entrée inférieure 24 de la chambre de préstripage 13. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur 28 est positionné directement sous l’ouverture d’entrée inférieure 24 de la chambre de préstripage 13. Avantageusement, le déflecteur 28 permet d’induire, au gaz de stripage ascendant issu de la chambre de stripage 23, un mouvement sensiblement horizontal avant de pénétrer dans la chambre de préstripage 13 et ainsi diminuer l’entrainement des particules de catalyseur.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur 28 comprend un corps principal sensiblement horizontal. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur 28 comprend une plaque sensiblement plane. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le corps principal présente un angle β compris entre 60° et 120°, préférablement entre 70° et 110°, préférablement entre 80° et 100° (e.g. 90° ± 3°), par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le corps principal présente une forme de portion de couronne, dont le petit rayon est égal ou supérieur au rayon de la paroi externe du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le corps principal est fixé sur la paroi externe du réacteur central 14 et/ou sur au moins une des parois latérales sensiblement verticales 20 des chambres de séparation 12. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le corps principal présente une forme de portion de couronne, dont le grand rayon est égal ou supérieur au rayon de l’extrémité interne de la paroi oblique descendante 27. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le corps principal présente une forme de portion de couronne, dont le grand rayon est au moins 1,1 fois supérieur au rayon de l’extrémité interne de la paroi oblique descendante 27. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le corps principal présente une forme de portion de couronne, dont le grand rayon est compris entre 1,2 et 1,5 fois, préférablement entre 1,3 et 1,4 fois, le rayon de l’extrémité interne de la paroi oblique descendante 27. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la surface d’entrée entre la paroi oblique descendante 27 et le déflecteur 28 est sensiblement (± 10%, préférablement ± 5%) égale à la surface d’entrée de l’ouverture d’entrée inférieure 24.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, au moins une partie du déflecteur 28 comprend un garnissage ou une plaque perforée adaptés notamment pour dévier le gaz de stripage et laisser s’évacuer les particules solides non-séparées descendantes, pour éviter par exemple toute accumulation de catalyseur sur le déflecteur 28.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le déflecteur 28 comprend un rebord 29 s’étendant vers le haut et étant disposé sur l’extrémité externe du corps principal. Avantageusement, le rebord permet de contraindre les particules solides non-séparées descendantes à s’évacuer principalement par le garnissage ou la plaque perforée. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rebord 29 s’étend vers le haut et vers l’extérieur. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rebord 29 est en forme de plaque présentant un angle compris entre 0° et 60°, préférablement entre 5° et 45°, préférablement entre 10° et 30°, par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rebord 29 est en forme de plaque présentant un angle de 15° (e.g. ± 3°) par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’extrémité haute du rebord 29 est à une hauteur sensiblement (e.g. ± 10 cm) égale ou supérieure à la hauteur de l’extrémité interne de la paroi oblique descendante 27. Avantageusement, le rebord permet de contraindre le gaz de stripage ascendant à avoir au moins un mouvement descendant entre le déflecteur 28 et la paroi oblique descendante 27.
Le dispositif de séparation et de stripage comprend en outre un conduit d’évacuation supérieur 30 des effluents gazeux sortant des chambres de préstripage 13, par exemple pour envoyer les effluents gazeux (mélange gazeux et gaz de stripage) vers au moins un second étage de séparation (e.g. un étage de cyclones) d’une enceinte de séparation d’une unité FCC, la chambre de stripage 23 communiquant avec le conduit d’évacuation supérieur 30 via les chambres de préstripage 13. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le conduit d’évacuation supérieur 30 des effluents gazeux en provenance des chambres de préstripage 13 est situé sensiblement le long de l'axe du réacteur central 14, et est connecté d'une part aux dites chambres de préstripage 13 par des ouvertures de sortie supérieures 31, et d’autre part au second étage de séparation (non montré), permettant notamment de séparer les particules solides résiduelles contenues dans les effluents gazeux en provenance du conduit d’évacuation supérieur 30. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, chaque cyclone du second étage de séparation comprend une sortie d’effluents gazeux, et une sortie de particules solides plongeant dans la chambre de stripage 23.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la différence de dilatation thermique entre, d'une part le réacteur central 14 et les chambres de séparation 12 formant le premier ensemble solidaire, et d'autre part les chambres de préstripage 13 formant un second ensemble, est compensée par des interstices séparant les deux ensembles. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la dilatation thermique entre, d'une part le réacteur central 14 et les chambres de séparation 12, et d'autre part les chambres de préstripage 13 est compensée par un joint de dilatation.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention est pourvu de sorte que la somme des sections des ouvertures latérales de sortie 21 des chambres de séparation 12 ait sensiblement (e.g. ± 10%) la même valeur que la somme des sections des ouvertures d’entrée supérieures 15, et/ou que la somme des sections des ouvertures de sortie supérieures 31 des chambres de préstripage 13 ait sensiblement la même valeur que la somme des sections des ouvertures d’entrée supérieures 15.
En fonctionnement, selon un ou plusieurs modes de réalisation, le mélange gazeux et les particules solides sortent du réacteur central 14 et entrent dans la chambre de séparation 12, dans laquelle les particules solides sont séparées et sont dirigées vers la chambre de stripage 23 et le mélange gazeux est dirigé vers la chambre de préstripage 13. Dans la chambre de préstripage 13, le mélange gazeux est entrainé vers le second étage de séparation par un gaz de stripage ascendant distribué par la chambre de stripage 23. Le flux gazeux entrant dans le second étage de séparation est séparé de particules solides résiduelles qui sont dirigées vers la chambre de stripage 23 au moyen de jambes de retour. Le flux gazeux est ensuite évacué vers une sortie d'effluents gazeux. Enfin, les particules solides sont strippées de gaz résiduel dans la chambre de stripage 23 et sont évacuées par une sortie de catalyseur strippé vers un régénérateur (non montré).
Le dispositif de séparation et de stripage selon l'invention peut fonctionner en respectant les conditions opératoires suivantes:
  • vitesse gaz en tête de réacteur central 14 de 2 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 5 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 10m/s à 25 m/s;
  • vitesse gaz dans les ouvertures d’entrée supérieures 15 de 2 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 5 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 10m/s à 25 m/s;
  • vitesse gaz dans les ouvertures latérales de sortie 21 de 2 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 5 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 10m/s à 25 m/s;
  • vitesse gaz dans les ouvertures d’entrée inférieures 24 de 0,25 à 5 m/s, préférentiellement de 0,3 m/s à 5 m/s, préférentiellement de 1 m/s à 4 m/s; et
  • flux de catalyseur dans l’ouverture de sortie axiale inférieure 22 compris entre 10 et 300 kg/(m2.s), préférentiellement de 50 à 200 kg/(m2.s), avec par exemple des particules solides caractérisées par une masse volumique de grain comprise entre 1000 et 2000 kg/m3, et un diamètre moyen dit de "Sauter" compris entre 40 et 100 microns.
La figure 6 et la figure 7 montrent une coupe verticale de chambres de stripage et de préstripage, de référence avec ouverture simple verticale entre lesdites chambres (cas n°1), et selon l’invention avec ouverture pourvue d’un déflecteur (cas n°2: représentant une configuration simplifiée des figures 4 et 5), respectivement.
Les figures 8 et 9 représentent respectivement les estimations par simulation CFD 3D de l’entrainement de particules dans un réacteur à lit fluidisé avec une sortie de fluide simple verticale telle que représentée dans la figure 6 (cas n°1) et une sortie de fluide induisant un mouvement horizontal du fluide à l’aide d’un déflecteur telle que représentée dans la figure 7 (cas n°2).
Les simulations numériques sont réalisées avec le logiciel CPFD Barracuda®. Les données géométriques de la simulation et les conditions opératoires et limites sont indiquées ci-dessous:
  • simulation à température ambiante et pression atmosphérique en présence d’air,
  • diamètre du réacteur Dr = 0,3 m, diamètre de sortie Ds = 0,106 m, hauteur totale du réacteur Htot = 1 m, hauteur de sortie Hs = 0,25 m,
  • hauteur du lit Hbed = 0,3 m pour une quantité initiale de solide de 17,4 kg,
  • condition d’entrée: vitesse du gaz de 0,25 m/s,
  • condition de sortie: pression atmosphérique, surface définie afin d’avoir une vitesse du gaz en sortiede 2 m/s,
  • dans cet exemple de cas n°2, la surface de l’espace annulaire est supérieure à la surface de sortie (la surface de l’espace annulaire peut être inférieure ou égale à la surface de sortie).
Le débit d’entrainement correspond aux particules élutriées hors du réacteur. La valeur du débit est moyennée sur une durée de simulation de 40 s.
Estimation par CFD du débit d’entrainement moyen:
  • cas n°1: 12,9 kg/h;
  • cas n°2: 4,19 kg/h.
Par conséquent, la présente invention permet de diviser par 3 l’entrainement solide provenant de la chambre de stripage et se dirigeant vers la chambre de préstripage.

Claims (15)

  1. Dispositif de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides comprenant une pluralité de chambres de séparation (12) et une pluralité de chambres de préstripage (13) réparties de manière alternée autour d’un réacteur central (14),
    dans lequel chaque chambre de séparation (12) comprend:
    - une paroi externe (18);
    - une ouverture d’entrée supérieure (15) du mélange gazeux et des particules solides adaptée pour communiquer avec le réacteur central (14);
    - une ouverture de sortie axiale inférieure (22) des particules solides adaptée pour communiquer avec une chambre de stripage (23) disposée en dessous de la chambre de séparation (12); et
    - deux parois latérales sensiblement verticales (20) qui sont aussi les parois latérales des chambres de préstripage (13), au moins une des parois latérales (20) de chaque chambre de séparation (12) comportant une ouverture latérale de sortie (21) du mélange gazeux, communiquant avec une chambre de préstripage adjacente (13), et
    dans lequel chaque chambre de préstripage (13) comprend:
    - une paroi périphérique (25);
    - une ouverture d’entrée inférieure (24) de gaz de stripage adaptée pour communiquer avec la chambre de stripage (23); et
    - une ouverture de sortie supérieure (31) du mélange gazeux et du gaz de stripage adaptée pour communiquer avec un second étage de séparation,
    le dispositif de séparation et de stripage comprenant en outre un déflecteur (28) disposé entre la chambre de stripage (23) et la chambre de préstripage (13) adapté pour dévier le gaz de stripage ascendant et contraindre ledit gaz de stripage à avoir au moins un mouvement sensiblement horizontal.
  2. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 1, dans lequel le déflecteur (28) est adjacent à l’ouverture d’entrée inférieure (24) de la chambre de préstripage (13).
  3. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le déflecteur (28) est positionné directement sous l’ouverture d’entrée inférieure (24) de la chambre de préstripage (13).
  4. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le déflecteur (28) comprend un corps principal sensiblement horizontal.
  5. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 4, dans lequel le corps principal présente un angle β compris entre 60° et 120° par rapport à l’axe central (Z) du réacteur central (14).
  6. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 4 ou la revendication 5, dans lequel le corps principal est fixé sur la paroi externe du réacteur central (14) et/ou sur au moins une des parois latérales sensiblement verticales (20) des chambres de séparation (12).
  7. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel la paroi périphérique (25) comprend une partie inférieure conique sous la forme d’une paroi oblique (27) descendant vers l’intérieur, et dans lequel le corps principal présente une forme de portion de couronne, dont le grand rayon est égal ou supérieur au rayon de l’extrémité interne de la paroi oblique descendante (27).
  8. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 7, dans lequel la surface d’entrée entre la paroi oblique descendante (27) et le déflecteur (28) est sensiblement égale à la surface d’entrée de l’ouverture d’entrée inférieure (24).
  9. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications 4 à 8, dans lequel le déflecteur (28) comprend un rebord (29) s’étendant vers le haut et étant disposé sur l’extrémité externe du corps principal.
  10. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 9, dans lequel le rebord (29) s’étend vers l’extérieur et présente un angle compris entre 0° et 60° par rapport à l’axe central (Z) du réacteur central (14).
  11. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 9 ou la revendication 10, dans lequel la paroi périphérique (25) comprend une partie inférieure conique sous la forme d’une paroi oblique (27) descendant vers l’intérieur, et dans lequel l’extrémité haute du rebord (29) est à une hauteur sensiblement égale ou supérieure à la hauteur de l’extrémité interne de la paroi oblique descendante (27).
  12. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une partie du déflecteur (28) comprend un garnissage ou une plaque perforée.
  13. Enceinte de séparation d’une unité de craquage catalytique en lit fluidisé comprenant le dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  14. Unité de craquage catalytique en lit fluidisé comprenant le dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications 1 à 12 ou l’enceinte de séparation selon la revendication 13.
  15. Procédé de séparation et de stripage d’un mélange gazeux et de particules solides utilisant le dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, l’enceinte de séparation selon la revendication 13, ou l’unité de craquage catalytique en lit fluidisé selon la revendication 14, ledit procédé comprenant de dévier le gaz de stripage ascendant entre la chambre de stripage (23) et la chambre de préstripage (13) et contraindre ledit gaz de stripage à avoir au moins un mouvement sensiblement horizontal.
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