WO2018108613A1 - Nouveau garnissage a structure tridimensionnelle pour ameliorer le contact entre une phase gaz et une phase solide dispersee s'ecoulant a contre courant - Google Patents

Nouveau garnissage a structure tridimensionnelle pour ameliorer le contact entre une phase gaz et une phase solide dispersee s'ecoulant a contre courant Download PDF

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layer
packing
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catalytic cracking
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PCT/EP2017/081427
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Rim BRAHEM
Benjamin AMBLARD
Ann Cloupet
Thierry Gauthier
Ludovic Raynal
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    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing

Definitions

  • the invention consists of a new type of packing intended to equip the strippers with fluidized bed cracking units (abbreviated to FCC).
  • FCC fluidized bed cracking units
  • FIG. 1 represents a schematic view of an FCC unit according to the so-called R2R technology, that is to say a riser (1) and two regenerators in series (5) and (6).
  • R2R riser
  • regenerators in series (5) and (6).
  • a description of this technology is provided for example in US 5,716,585.
  • This technology is particularly well suited to cracking heavy vacuum-type distillates or atmospheric residues generally after hydrotreatment.
  • the “riser” designates the upflow fluidized tubular reactor within which the cracking reactions take place.
  • the regenerated catalyst from the second regenerator (6) is introduced at the base of the riser (1), rises along the riser (1) causing the cracking reactions and certain parasitic reactions resulting in the production of coke settling at the surface of said catalyst.
  • the coked catalyst is separated from the gaseous cracking effluents in a separation device situated in the upper part (2) of the riser (1), which device is generally completed by one or two stages of cyclones, and is then introduced into a stripping zone (4). which is intended to release the maximum of adsorbed hydrocarbons on the surface of the catalyst, so as to leave a coked catalyst with the minimum possible adsorbed hydrocarbons.
  • the catalyst after stripping is then sent to the regeneration section having two stages (5), (6).
  • the stripping is carried out using a stripping fluid (9), usually water vapor.
  • the flow is therefore generally countercurrently between a descending phase (catalyst + gas) and the ascending fluidization gas.
  • Filling or any other equivalent technology such as those given in example 2, (in the order from right to left: baffles, disc-donut trays, packing) disposed inside the stripper (4) is intended to promote the contact between the catalyst and the stripping fluid, and to ensure good homogeneity.
  • the invention can be applied to all catalytic conversion technologies in fluidized beds, for which a stripping unit is necessary: FCC with a single regenerator (lighter loads) or with different selectivity orientations, cracking of naphtha NCC (abbreviation of the Anglo-Saxon terminology “Naphtha Catalytic Cracking”), further conversion DCC (abbreviation of the English terminology “Deep Catalytic Cracking”), transformation of methanol into olefins (MTO) or gasoline (MTG).
  • FCC with a single regenerator (lighter loads) or with different selectivity orientations
  • cracking of naphtha NCC abbreviation of the Anglo-Saxon terminology “Naphtha Catalytic Cracking”
  • DCC abbreviation of the English terminology “Deep Catalytic Cracking”
  • MTO olefins
  • MTO olefins
  • MTO olefins
  • MTO olefins
  • MTO o
  • Figure 1 is a schematic representation of a catalytic cracking unit according to the R2R technology which allows to locate the stripper at the upper end of the riser and the typical positioning of the lining inside the stripper.
  • Figure 2 provides some examples of packing according to the prior art, as often encountered in strippers of catalytic cracking units.
  • FIG. 3 is a 3D representation of the packing structure of the closest prior art corresponding to document US Pat. No. 6,224,833, which makes it possible to visualize the two band systems arranged in a triangle.
  • FIG. 4a is a 3D representation of the elementary pattern of the packing structure according to the invention. This figure clearly shows the three fins each belonging to a plane different from the other two, the resulting elementary pattern being in projection comparable to a star with 3 branches.
  • Figure 4b is a projection in a plane of the elementary patterns as they are arranged in the plane in question in a triangular pitch. This plan corresponds to a layer, a term that will be used in the rest of the text.
  • the orientation of the elements in the second layer is preferably shifted 180 ° in rotation relative to those of the first layer. In this case, we find the orientation of the first layer on the third successive layer.
  • FIG. 4c is a 3D representation of the assembly of the structure according to the invention which makes it possible to highlight the distance b separating two successive layers.
  • FIG. 5 is a comparison of simulation results CFD (abbreviation of the English terminology “Computational Fluid Dynamics”) on the packing of the prior art (FIG. 5b), and on the packing of the invention (FIG. 5c) in FIG. a case where the initial maldistribution is oriented along a substantially horizontal axis ( Figure 5a).
  • CFD abbreviation of the English terminology "Computational Fluid Dynamics”
  • FIG. 6 is a comparison of simulation results CFD (abbreviation of the English terminology “Computational Fluid Dynamics”) on the packing of the prior art (FIG. 6b), and on the packing of the invention (FIG. 6c) in FIG. a case where the initial maldistribution is oriented along a substantially vertical axis ( Figure 6a).
  • CFD abbreviation of the English terminology "Computational Fluid Dynamics”
  • the simulation consists of examining the ability of the two packings to dissipate a poor initial temperature distribution.
  • All the bands of a given plane are parallel to each other and two bands closest to the same plane are separated by a space approximately the same size as a band.
  • the bands belonging to the second plane are precisely in the intervals left free by the bands of the foreground.
  • WO2015 / 095 540 discloses a packing structure using three strips in different planes. This results in a packing structure that is similar to that described in document US Pat. No. 6,224,833 in which the strips of the same plane may have different orientations along the median axis belonging to said plane. Nevertheless in the cited document each band remains flat.
  • the present invention consists of a lining whose structure is actually three-dimensional compared to those of the prior art which remained two-dimensional. This structure is based on the reproduction of a three-dimensional elementary pattern distributed in several parallel planes.
  • a better contact between the coked catalyst and the stripping gas makes it possible, at iso overall performance, to reduce the stripping gas flow rate or the size of the stripper.
  • Acoke is the percentage by weight of coke and hydrocarbons adsorbed on the catalyst. Conventionally, it is between 0.6 and 1% for a unit with a single regenerator, and between 1 and 1.5% for a unit with two regenerators. Better stripping improves between 5% and 10% of the reduction of Acoke in the stripper. The consequence of such a reduction is the increase of the solid recirculation flow rate from 5 to 10% (at iso temperature in the riser). In this case the yields of valued products are increased.
  • Another advantage of the improvement of the mixture between emulsion and gas is the increase of the capacity of the stripper (limit of congestion of the higher internal). In the case where this capacity is limiting for the unit this also constitutes an increase in the total capacity of the process.
  • the present invention can be defined as a packing allowing to achieve a homogeneous and anisotropic contact (that is to say without privileged direction in space), between a gas phase and a dispersed solid phase evolving against the current, said packing being characterized by a three-dimensional structure.
  • This three-dimensional structure consists of an elementary pattern made by means of 3 secant planes and determining a volume with three fins, each fin being located in one of the secant planes.
  • the various elementary patterns are distributed in a plane distinct from the three intersecting planes in a triangular pitch, and the final structure corresponding to a stack of several parallel planes, each of these planes comprising the same density of elementary patterns.
  • the plane in which the elementary patterns are distributed is called a layer.
  • the elementary patterns are part of a mesh with triangular pitch, the step being from 1 to 1, 5 times the minimum distance d defined by:
  • angle a is the angle that the fins of the elementary pattern with the horizontal, and which is between 45 ° and 75 °, and preferably between 55 ° and 65 °.
  • a is the width of the fins between 3 cm and 30 cm, preferably between 5 cm and 15 cm.
  • b is the distance separating two successive layers, between 3 cm and 50 cm, and preferably between 6 cm and 20 cm.
  • the triangular pitch in which the various elementary patterns are distributed in a given layer is between 1 to 1, 5 times the minimum distance d, and preferably between 1, 1 and 1, 3 d.
  • the location of the elementary patterns can be shifted when going from one layer to the next layer. If we group the 3 closest to a given layer (N), they form a triangle. This triangle is shifted to the next layer (N + 1) so that one of the vertices of the triangle of the layer (N + 1) is located at the center of the inscribed circle of the triangle of the layer ( NOT).
  • the offset can continue on subsequent layers.
  • Figure 4b shows the location of the elementary patterns on two successive layers in superposition.
  • the packing according to the present invention can be applied to any process requiring a countercurrent between an ascending gas phase and a descending (solid + gas) emulsion phase.
  • the packing according to the invention is particularly well suited to carry out the stripping of the catalyst in the catalytic cracking units, said packing being placed inside the stripper, and said stripper operating in a fluidized bed with a fluidization velocity of between 10 cm / s and 40 cm / s.
  • the solid flow in the stripper is typically between 25 and 200 kg / m 2 .s and preferably between 50 and 150 kg / m 2 .s.
  • the so-called additive manufacturing technique for example selective laser melting, selective sintering by laser, or even stretched wire deposition.
  • the present invention can be defined as a three-dimensional structure packing suitable for bringing into contact a rising gas phase and a solid-bottom gas emulsion phase.
  • the structure of the packing according to the present invention consists of a three-dimensional geometry element which is repeated in different parallel planes.
  • the basic three-dimensional pattern is a complex volume delimited by three fins, each fin belonging to a plane, and the three planes thus defined being such that, taken in pairs, they always have an intersection. This precludes the fact that two planes can be parallel.
  • a finite finite surface, i.e. having a well defined length and width, and cut in a plane is called a fin.
  • each of the fins is in a plane whose angle with the other two planes corresponding to the other two fins is 120 °, as shown in Figure 4a.
  • the width with fins constituting the basic pattern can vary between 3 and 30 cm, and preferably between 5 and 15 cm.
  • the distance b between two successive layers can vary between 3 and 50 cm, and preferably between 6 and 20 cm.
  • the fins are at an angle with the horizontal which must be between 45 ° and 75 °, and preferably between 55 ° and 65 °.
  • the shape of the pattern projected in the layer is that of a star with 3 symmetrical branches, that is to say forming an angle of 120 °, as shown in Figure 4b.
  • the lining according to the invention is obtained by repeating the elementary pattern previously described in a plane in a triangular pitch as shown in FIG. 4b. It should be understood that the plane in which the elementary pattern develops, or layer, is itself different from the 3 planes that allowed the definition of the elementary pattern, that is to say the 3 shots that made it possible to define the 3 fins.
  • the elementary pattern is repeated on a plane following a triangular pitch structure.
  • the pitch is chosen so that there is no overlap between the fins.
  • the step is at least equal to:
  • this step can vary between 1 and 1, 5 times the minimum distance d.
  • the angle ⁇ is the angle that the fins of the elementary pattern form with the horizontal, and which is between 45 ° and 75 °, and preferably between 55 ° and 65 °.
  • the distance a is the width of the fins between 3 cm and 30 cm, preferably between 5 cm and 15 cm.
  • the distance b is the distance separating two successive layers, between 3 cm and 50 cm, and preferably between 6 cm and 20 cm.
  • Figure 4c shows a sample of the complete structure developing in several vertically staged layers.
  • the triangular pitch of the elementary patterns in each of the layers is the same, but the rotational orientation of the elementary patterns may change from one plane to another.
  • structured consists of having on the one hand a rotational orientation of the patterns shifted by 180 ° from one layer to the next layer, and on the other hand, to practice the shift between the triangles. as explained above. Any combination of rotational offset of the patterns, and offset of the triangles, as explained above, remains within the scope of the present invention.
  • An example of structured orientation is to shift the rotational orientation of the patterns of a layer to the next layer by an angle of between 10 ° and 180 °, preferably between 120 ° and 180 ° degree, and still more preferably between 150 ° and 180 °.
  • the effect resulting from this three-dimensional structure is to improve the mixing between the upward gas phase and the upward emulsion phase, because if we consider the flows of each phase in a small volume, there is no direction privileged for the flow of each phase. We can then speak of anisotropy of the structure.
  • the gas flow is always ascending, and that of the descending emulsion, but given the turbulence generated by the three-dimensional structure packing according to the invention, the mixing of said phases is without any preferred direction.
  • This improvement of the mixture is illustrated in the attached example, based on 3D simulations.
  • the present packing has a certain complexity of implementation since it consists of a structured assembly of relatively complex elements.
  • SLM Selective Laser Melting
  • FDM wire deposition modeling
  • coefficient of variance the definition of which is given below:
  • This formula relates to a surface A, this surface being divided into a number N of elementary surface cells Ai.
  • the surface A considered corresponds to that of a plane P crossing the domain of computation. It may, for example, correspond to a lining section. It is therefore possible to scan the entirety of the lining by means of a series of planes P stepped in height, each plane or layer being noted P (hi) to indicate that it is relative to the elevation edge h (i).
  • a relative coefficient is introduced which takes into account the variation of the mixing coefficient Cov between the inlet of the fluid phase and the exit of this phase.
  • the solid suspended by the rising gas behaves like a liquid.
  • the stripping phase thus takes place in a fluidized bed regime.
  • the emulsion phase is represented by a liquid phase flowing from top to bottom, acting on density similarity.
  • the angle alpha is 60 ° in the example.
  • the width of the strips is 6.7 cm.
  • the simulation is carried out in temperature: a liquid with a poorly distributed temperature profile flows from top to bottom with a mass flow of the same order of magnitude as the solid flux in a stripper, ie typically 100 kg / m 2 .s .
  • the mal-distribution consists in creating a half of the inlet section irrigated by a hot fluid, and the other half by a cold fluid flowing cocurrently.
  • Table 1 confirms, by means of the relative mixing coefficient, that there is indeed an improvement in the mixing of the phases between the inlet plane of the liquid and a plane situated 40 cm inside the packing zone.

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Abstract

La présente invention décrit un garnissage à structure tridimensionnelle particulièrement adapté à réaliser un mélange homogène et anisotrope entre une phase gaz et une phase solide dispersée s'écoulant à contre-courant. Application de ce garnissage au stripeur des unités de craquage catalytique en lit fluidisé.

Description

NOUVEAU GARNISSAGE A STRUCTURE TRIDIMENSIONNELLE POUR AMELIORER LE CONTACT ENTRE UNE PHASE GAZ ET UNE PHASE SOLIDE DISPERSEE
S'ECOULANT A CONTRE COURANT.
CONTEXTE DE L'INVENTION
L'invention consiste en un nouveau type de garnissage destiné à équiper les stripers des unités de craquage en lit fluidisé (en abrégé FCC).
La figure 1 représente une vue schématique d'une unité FCC selon la technologie dite R2R, c'est-à-dire à un riser (1 ) et deux régénérateurs en série (5) et (6). Une description de cette technologie est fournie par exemple dans le document US 5,716,585.
Cette technologie est particulièrement bien adaptée au craquage de charges lourdes de type distillais sous vide ou résidus atmosphériques généralement après hydrotraitement.
Le « riser » désigne le réacteur tubulaire à écoulement fluidisé ascendant à l'intérieur duquel se déroulent les réactions de craquage. Le vocabulaire étant bien fixé dans le contexte du FCC, nous conserverons cette appellation anglo-saxonne dans la suite du texte.
Le catalyseur régénéré en provenance du second régénérateur (6) est introduit à la base du riser (1 ), s'élève le long du riser (1 ) en provoquant les réactions de craquage et certaines réactions parasites entraînant la production de coke se déposant à la surface dudit catalyseur. Le catalyseur coké est séparé des effluents de craquage gazeux dans un dispositif de séparation situé en partie supérieure (2) du riser (1 ), dispositif généralement complété par un ou deux étages de cyclones, puis est introduit dans une zone de stripage (4) qui a pour but de libérer le maximum d'hydrocarbures adsorbés à la surface du catalyseur, de manière à laisser un catalyseur coké avec le minimum possible d'hydrocarbures adsorbés.
Le catalyseur après stripage est ensuite envoyé à la section de régénération présentant deux étages (5), (6).
Le stripage est réalisé en utilisant un fluide de stripage (9), généralement de la vapeur d'eau.
A l'intérieur du stripeur (4) l'écoulement est donc globalement à contre-courant entre une phase d'émulsion (catalyseur + gaz) descendante et le gaz de fluidisation ascendant.
Un garnissage, ou toute autre technologie équivalente telle que celles données en exemple figure 2, (dans l'ordre de droite à gauche : déflecteurs, plateaux disc-donut, garnissage), disposé à l'intérieur du stripeur (4) a pour but de favoriser le contact entre le catalyseur et le fluide de stripage, et d'assurer une bonne homogénéité. Un exemple de procédé de craquage catalytique particulièrement adapté au craquage de coupes lourdes, telles que des distillais sous vide ou des résidus atmosphériques généralement après hydrotraitement, est celui de la technologie R2R.
Plus généralement, l'invention peut s'appliquer à toutes les technologies de conversions catalytiques en lits fluidisés, pour lesquels une unité de stripage est nécessaire : FCC avec un seul régénérateur (charges plus légères) ou avec des orientations de sélectivités différentes, craquage de naphta NCC (abréviation de la terminologie anglo saxonne « Naphta Catalytic Cracking »), conversion plus poussée DCC (abréviation de la terminologie anglo saxonne « Deep Catalytic Cracking »), transformation du méthanol en oléfines (MTO) ou essence (MTG).
DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES
La figure 1 est une représentation schématique d'une unité de craquage catalytique selon la technologie R2R qui permet de bien situer le stripeur à l'extrémité supérieure du riser et le positionnement typique du garnissage à l'intérieur du stripeur.
La figure 2 fournit quelques exemples de garnissage selon l'art antérieur, tels qu'on les rencontre souvent dans les stripeurs des unités de craquage catalytique.
La figure 3 est une représentation en 3D de la structure de garnissage de l'art antérieur le plus proche correspondant au document US, 6,224,833, qui permet de visualiser les deux systèmes de bandes disposés en triangle.
La figure 4a est une représentation 3D du motif élémentaire de la structure de garnissage selon l'invention. On voit clairement sur cette figure les 3 ailettes appartenant chacune à un plan différent des deux autres, le motif élémentaire résultant étant en projection assimilable à une étoile à 3 branches.
La figure 4b est une projection dans un plan des motifs élémentaires tels qu'ils sont disposés dans le plan en question selon un pas triangulaire. Ce plan correspond à une couche, terme qui sera utilisé dans la suite du texte.
La réplication d'un certain nombre de couches selon un axe vertical permet de constituer la structure complète du garnissage selon l'invention. Dans chaque couche, l'élément de base est répliqué selon un pas triangulaire, pas identique sur les différentes couches.
II peut exister dans une variante de l'invention un décalage de l'ensemble des motifs lorsqu'on passe d'une couche à la suivante. Si l'on regroupe les 3 motifs les plus proches d'une couche donnée (N), ils forment un triangle. Ce triangle se retrouve décalé sur la couche suivante (N+1 ) de manière que l'un des sommets du triangle de la couche (N+1 ) se situe à l'emplacement du centre du cercle inscrit du triangle de de la couche (N). Le décalage peut se poursuivre sur les couches suivantes.
L'orientation des éléments dans la deuxième couche est préférentiellement décalé de 180° en rotation par rapport à ceux de la première couche. Dans ce cas, on retrouve donc l'orientation de la première couche sur la troisième couche successive.
La variation d'orientation d'une couche à la suivante peut également être aléatoire tout en restant dans le cadre de l'invention.
On reste également dans le cadre de l'invention en ne modifiant pas l'orientation des motifs élémentaires d'une couche à la suivante.
La figure 4c est une représentation 3D de l'ensemble de la structure selon l'invention qui permet de mettre en évidence la distance b séparant deux couches successives.
La figure 5 est une comparaison de résultats de simulation CFD (abréviation de la terminologie anglo saxonne « Computational Fluid Dynamics ») sur le garnissage de l'art antérieur (figure 5b), et sur le garnissage de l'invention (figure 5c) dans un cas où la maldistribution initiale est orientée selon un axe sensiblement horizontal (figure 5a).
La figure 6 est une comparaison de résultats de simulation CFD (abréviation de la terminologie anglo saxonne « Computational Fluid Dynamics ») sur le garnissage de l'art antérieur (figure 6b), et sur le garnissage de l'invention (figure 6c) dans un cas où la maldistribution initiale est orientée selon un axe sensiblement vertical (figure 6a).
La simulation consiste à examiner la capacité des deux garnissages à dissiper une mal distribution initiale de température.
L'analogie entre température et concentration en chacune des phases gaz et solide dispersé est bien validée par l'homme du métier dans ce genre de simulation.
EXAMEN DE L'ART ANTERIEUR
Une description assez complète de la technologie de craquage catalytique de type R2R peut se trouver dans le document US 5,716,585.
On peut considérer que l'art antérieur le plus proche de l'invention est constitué par le document US 6,224,833 qui décrit un garnissage (« packing ») consistant en deux séries de bandes parallèles appartenant à deux plans différents ayant une intersection.
Toutes les bandes d'un plan donné sont parallèles entre elles et deux bandes les plus proches d'un même plan sont séparés d'un espace à peu près de même taille qu'une bande.
Les bandes appartenant au second plan se situent précisément dans les intervalles laissés libres par les bandes du premier plan.
Il en résulte une structure qui oblige le gaz ascendant à progresser selon un cheminement tortueux, et au catalyseur à glisser en principe le long des différentes bandes. Globalement, le cheminement du gaz se fait selon deux séries de trajets parallèles avec des points de rencontre, plus précisément de tangence, qui sont supposés créer une perturbation, mais cette dernière n'est pas réellement organisée.
Le document WO2015/095 540 décrit une structure de garnissage utilisant trois bandes situées dans des plans différents. Il en résulte une structure de garnissage qui se rapproche de celle décrite dans le document US 6,224,833 dans laquelle les bandes d'un même plan peuvent présenter des orientations différentes selon l'axe médian appartenant audit plan. Néanmoins dans le document cité chaque bande reste plane.
La présente invention consiste en un garnissage dont la structure est réellement tridimensionnelle par rapport à celles de l'art antérieur qui restaient bi dimensionnelles. Cette structure est basée sur la reproduction d'un motif élémentaire tridimensionnel réparti selon plusieurs plans parallèles.
Un meilleur contact entre le catalyseur coké et le gaz de stripage permet, à iso performances globales, de réduire le débit de gaz de stripage ou la taille du stripper.
Dans le cas de fonctionnement avec les mêmes dimensions du stripeur et le même débit gaz, un mélange plus homogène permet d'améliorer le stripage, donc de réduire le Acoke entre le riser et le régénérateur. Le Acoke est le pourcentage en poids de coke et d'hydrocarbures adsorbés sur le catalyseur. Classiquement, il se situe entre 0,6 et 1 % pour une unité avec un seul régénérateur, et entre 1 et 1 ,5% pour une unité à deux régénérateurs. Un meilleur stripage permet une amélioration entre 5 et 10% de la réduction du Acoke dans le stripeur. La conséquence d'une telle réduction est l'augmentation du débit de recirculation de solide de 5 à 10% (à iso température dans le riser). Dans ce cas les rendements en produits valorisâmes sont augmentés.
Un autre avantage de l'amélioration du mélange entre émulsion et gaz, est l'augmentation de la capacité du stripeur (limite d'engorgement de l'interne plus élevée). Dans le cas où cette capacité est limitante pour l'unité cela constitue également une augmentation de la capacité totale du procédés.
DESCRIPTION SOMMAIRE DE L'INVENTION
La présente invention peut se définir comme un garnissage permettant de réaliser un contact homogène et anisotrope (c'est-à-dire sans direction privilégiée dans l'espace), entre une phase gaz et une phase solide dispersée évoluant à contre-courant, ledit garnissage étant caractérisé par une structure tridimensionnelle. Cette structure tridimensionnelle consiste en un motif élémentaire réalisé au moyen de 3 plans sécants et déterminant un volume à trois ailettes, chaque ailette étant située dans un des plans sécants. Les différents motifs élémentaires sont répartis dans un plan distinct des 3 plans sécants selon un pas triangulaire, et la structure finale correspondant à un empilement de plusieurs plans parallèles, chacun de ces plans comportant la même densité de motifs élémentaires. Le plan dans lequel se répartissent les motifs élémentaires est appelé une couche.
Les motifs élémentaires s'inscrivent dans un maillage à pas triangulaire, le pas étant de 1 à 1 ,5 fois la distance minimale d définie par :
d = ( a+a*cos(60°)+b/2sin(90°- a))
Expression dans laquelle l'angle a est l'angle que font les ailettes du motif élémentaire avec l'horizontale, et qui est compris entre 45° et 75 °, et préférentiellement entre 55° et 65 °. a est la largeur des ailettes comprise entre 3 cm et 30 cm, préférentiellement entre 5 cm et 15 cm.
b est la distance séparant deux couches successives, comprise entre 3 cm et 50 cm, et préférentiellement entre 6 cm et 20 cm.
Le pas triangulaire selon lequel se répartissent les différents motifs élémentaires dans une couche donnée est compris entre 1 à 1 ,5 fois la distance minimale d, et préférentiellement compris entre 1 ,1 et 1 ,3 d.
L'emplacement des motifs élémentaires peut être décalé lorsqu'on passe d'une couche à la couche suivante. Si l'on regroupe les 3 motifs les plus proches d'une couche donnée (N), ils forment un triangle. Ce triangle se retrouve décalé sur la couche suivante (N+1 ) de manière que l'un des sommets du triangle de la couche (N+1 ) se situe à l'emplacement du centre du cercle inscrit du triangle de de la couche (N).
Le décalage peut se poursuivre sur les couches suivantes.
Pour illustration de ce décalage entre deux couches successives, on peut se référer à la figure 4b qui montre l'emplacement des motifs élémentaires sur deux couches successives en superposition.
On reste dans le cadre de l'invention sans pratiquer de décalage entre deux couches successives, ou même en pratiquant un décalage aléatoire au sens où il peut exister un décalage entre certaines couches successives, et pas sur d'autres couches successives. Le garnissage selon la présente invention peut s'appliquer à tout procédé nécessitant un contre-courant entre une phase gaz ascendante et une phase émulsion (solide + gaz) descendante.
En particulier, le garnissage selon l'invention est particulièrement bien adapté à réaliser le stripage du catalyseur dans les unités de craquage catalytique, le dit garnissage étant placé à l'intérieur du stripeur, et ledit stripeur fonctionnant en lit fluidisé avec une vitesse de fluidisation comprise entre 10cm/s et 40 cm/s.
Le flux solide dans le stripper est typiquement compris entre 25 et 200 kg/m2.s et préférentiellement ente 50et 150 kg/m2.s.
En ce qui concerne la réalisation du garnissage tridimensionnel selon l'invention, il est possible d'utiliser la technique dite de fabrication additive, par exemple la fusion sélective par laser, le frittage sélectif par laser, ou encore le dépôt fil tendu.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La présente invention peut se définir comme un garnissage de structure tridimensionnelle adapté à la mise en contact entre une phase gaz ascendante et une phase émulsion solide- gaz descendante. La structure du garnissage selon la présente invention consiste en un élément de géométrie tridimensionnelle qui est répété selon différents plans parallèles.
Le motif tridimensionnel de base est un volume complexe délimité par 3 ailettes, chaque ailette appartenant à un plan, et les 3 plans ainsi définis étant tels que, pris deux à deux, ils ont toujours une intersection. Cela interdit le fait que deux plans puissent être parallèles. On appelle ailette une surface rectangulaire finie, c'est-à-dire ayant une longueur et une largeur bien définies, et découpée dans un plan.
Plus précisément, chacune des ailettes se situe dans un plan dont l'angle avec les deux autres plans correspondant aux deux autres ailettes est de 120°, ainsi que représenté sur la figure 4a.
La largeur a des ailettes constituant le motif de base peut varier entre 3 et 30 cm, et préférentiellement entre 5 et 15 cm.
La distance b séparant deux couches successives peut varier entre 3 et 50 cm, et préférentiellement entre 6 et 20 cm.
Les ailettes font un angle a avec l'horizontale qui doit se situer entre 45° et 75°, et préférentiellement entre 55° et 65°.
Globalement, en projection dans le plan où se répartissent les motifs, plan appelé couche, la forme du motif projeté dans la couche, est celle d'une étoile à 3 branches symétriques, c'est- à-dire formant ente elles un angle de 120°, comme cela est représenté sur la figure 4b.
Le garnissage selon l'invention est obtenu par la répétition du motif élémentaire précédemment décrit dans un plan selon un pas triangulaire tel que représenté sur la figure 4b. Il faut bien comprendre que le plan dans lequel se développe le motif élémentaire, ou couche, est lui-même différent des 3 plans ayant permis la définition dudit motif élémentaire, c'est-à-dire les 3 plans ayant permis de définir les 3 ailettes.
Le motif élémentaire se répète sur un plan suivant une structure à pas triangulaire.
Le pas est choisi de manière à ce qu'il n'y ait pas de chevauchement entre les ailettes.
Le pas est au minimum égal à :
d = ( a+a*cos(60°)+b/2sin(90°- a) )
mais ce pas peut varier entre 1 et 1 , 5 fois la distance minimale d.
L'angle a est l'angle que font les ailettes du motif élémentaire avec l'horizontale, et qui est compris entre 45° et 75 °, et préférentiellement entre 55° et 65 °.
La distance a est la largeur des ailettes comprise entre 3 cm et 30 cm, préférentiellement entre 5 cm et 15 cm.
La distance b est la distance séparant deux couches successives, comprise entre 3 cm et 50 cm, et préférentiellement entre 6 cm et 20 cm.
Les positions des motifs élémentaires sur deux couches successives sont représentées schématiquement par la figure 4b dans une configuration où un décalage du triangle joignant
3 motifs voisins sur une couche, se retrouve sur la couche suivante.
On reste dans le cadre de l'invention sans pratiquer de décalage d'une couche à la couche suivante, ou en pratiquant un décalage aléatoire d'une couche à la couche suivante.
La figure 4c représente un échantillon de la structure complète se développant selon plusieurs couches étagées verticalement.
Sur la figure 4c, 6 couches successives sont représentées, mais un nombre de couches plus important est possible.
Le pas triangulaire des motifs élémentaires dans chacune des couches est le même, mais l'orientation en rotation des motifs élémentaires peut changer d'un plan à l'autre.
La variante préférée de la présente invention dite « structurée » consiste à avoir d'une part une orientation en rotation des motifs décalée de 180° d'une couche à la couche suivante, et d'autre part, de pratiquer le décalage entre les triangles comme expliqué plus haut. Toute combinaison de décalage en rotation des motifs, et de décalage des triangles, tel qu'expliqué plus haut, reste dans le cadre de la présente invention.
Un exemple d'orientation structurée consiste à décaler l'orientation en rotation des motifs d'une couche à la couche suivante d'un angle compris entre 10° et 180°, préférentiellement entre 120° et 180° degré, et de manière encore préférée entre 150° et 180°. L'effet résultant de cette structure tridimensionnelle est d'améliorer le mélange entre la phase gaz ascendante et la phase émulsion ascendante, car si l'on considère les écoulements de chacune des phases dans un petit volume, il n'y a plus de direction privilégiée pour l'écoulement de chacune des phases. On peut alors parler d'anisotropie de la structure.
Globalement, l'écoulement du gaz est toujours ascendant, et celui de l'émulsion descendant, mais compte tenu de la turbulence engendrée par le garnissage à structure tridimensionnelle selon l'invention, le mélangeage des dites phases se fait sans aucune direction privilégiée. Cette amélioration du mélange est illustrée dans l'exemple joint, appuyé sur des simulations 3D.
Le présent garnissage présente une certaine complexité de réalisation puisqu'il consiste en un assemblage structuré d'éléments relativement complexes.
La réalisation de la structure selon l'invention peut être prise en charge par les nouvelles techniques de construction faisant appel aux techniques de fabrication additive, par exemple la fusion sélective par laser (dite « Sélective Laser Melting », soit « SLM » dans la terminologie anglo saxonne), ou encore le frittage sélectif par laser (traduction de la terminologie anglo saxonne « Sélective Laser Sintering », en abrégé SLS), ou encore le dépôt fil tendu (traduction de la terminologie anglo saxonne « fused déposition modeling », en abrégé FDM).
L'évaluation de l'amélioration du mélange ou du contact entre les phases gaz et émulsion est faite par simulation 3D au moyen du logiciel des écoulements de fluides du nom commercial Ansys Fluent.
Plus précisément, l'efficacité du mélange est corrélée avec un coefficient, dit coefficient de variance, dont la définition est donnée ci-dessous :
Figure imgf000009_0001
Cette formule est relative à une surface A, cette surface étant divisée en un nombre N de cellules de surface élémentaire Ai. Généralement la surface A considérée correspond à celle d'un plan P traversant le domaine de calcul. Elle peut, par exemple, correspondre à une section de garnissage. On peut donc balayer l'intégralité du garnissage au moyen d'une série de plans P étagés en hauteur, chaque plan ou couche étant noté P(hi) pour indiquer qu'il est relatif à la côte d'élévation h(i).
- A désigne la surface totale de la section considérée,
- Ai désigne la surface correspondant à la cellule i,
- N le nombre total de cellules de surface Ai contenues dans la surface A,
- Ti la température locale de la cellule i considérée,
- T0 la température moyenne sur la surface A.
Globalement, plus le coefficient Cov est petit, meilleur est le mélange des phases gaz et solide dans le plan considéré.
Pour améliorer la qualification du mélange, on introduit un coefficient relatif qui prend en compte la variation du coefficient de mélange Cov entre l'entrée de la phase fluide et la sortie de cette phase.
Dans le stripeur, le solide mis en suspension par le gaz ascendant se comporte comme un liquide. La phase de stripage se déroule ainsi en régime de lit fluidisé.
Pour illustrer la capacité du garnissage à améliorer le mélange, on a représenté la phase émulsion par une phase liquide s'écoulant de haut en bas en jouant sur la similarité de densité.
Plus la variation relative du coefficient de mélange entre l'entrée et la sortie de la zone de garnissage est importante, plus la qualité du mélange sur l'ensemble du garnissage est considérée comme bonne.
C0V — COV;
Cov_relative =
EXEMPLES SELON L'INVENTION
Dans l'exemple comparatif ci-dessous, on compare un garnissage de l'art antérieur correspondant au document US 6,224,833 (figure 4b) à un garnissage selon l'invention dans lequel chaque motif élémentaire est inscrit dans un maillage à pas triangulaire, le pas étant de 1 à 1 ,5 fois la distance minimale définit par « a+a*cos(60°)+b/2sin(90°- a) », et l'orientation des motifs élémentaires d'une couche à la couche suivante étant décalée de 180°C.
Pour le garnissage de référence, l'inclinaison alpha des bandes par rapport à l'horizontale de
60° et l'espacement entre les bandes appartenant à un même plan est de 8cm. La largeur des bandes est de 6,7 cm.
Pour le garnissage selon l'invention, l'angle alpha est de 60° dans l'exemple. Le pas triangulaire est de (a+a*cos(60°)+b/2sin(90°- a) ) avec a=6,7cm et b = 8 cm.
La largeur des bandes est de 6,7 cm.
La simulation est réalisée en température : un liquide avec un profil de température mal-distribué s'écoule de haut en bas avec un flux massique du même ordre de grandeur que le flux solide dans un stripeur, soit typiquement 100 kg/m2.s.
La mal-distribution consiste à créer une moitié de la section d'entrée irriguée par un fluide chaud, et l'autre moitié par un fluide froid s'écoulant à co-courant.
On remarque un certain étalement latéral des températures sur la figure 5c qui indique que le contact entre les flux chaud et froid se fait non plus seulement selon la direction des bandes, mais également selon une direction sensiblement perpendiculaire, ce qui est un facteur essentiel d'augmentation du coefficient de mélange.
Nous réalisons donc bien, au moyen du garnissage selon l'invention, un contact tridimensionnel.
Afin d'illustrer la capacité de ce garnissage à disperser le flux dans différentes directions, une 2eme simulation est réalisée en tournant la mal-distribution en entrée de 90° (la mal-distribution est parallèle aux plans du garnissage de l'art antérieur). Cette dernière est représentée figure 6.
Les profils de température dans cette nouvelle configuration prouvent l'absence de direction privilégiée dans le nouveau garnissage (voir figure 6c).
Les résultats de Cov relatif correspondant à ce cas sont également donnés dans le tableau I ci dessous.
Le tableau 1 confirme, au moyen du coefficient de mélange relatif, qu'il y a bien une amélioration du mélange des phases entre le plan d'entrée du liquide, et un plan situé 40 cm à l'intérieur de la zone de garnissage.
Figure imgf000011_0001
Tableau 1 : comparaison du Cov relatif entre l'entrée du garnissage et 40 cm au dessus

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Garnissage permettant de réaliser un contact homogène entre une phase gaz et une phase émulsion évoluant à contre-courant, ledit garnissage étant caractérisé par une structure tridimensionnelle consistant en la reproduction d'un motif élémentaire réalisé au moyen de 3 plans sécants, ledit motif tridimensionnel élémentaire étant un volume complexe délimité par 3 ailettes, chaque ailette appartenant à un plan, et les 3 plans ainsi définis étant tels que, pris deux à deux, ils ont toujours une intersection, chaque ailette étant située dans un des plans sécants, et les différents motifs élémentaires étant répartis dans un plan distinct des 3 plans sécants selon un pas triangulaire, plan appelé couche de répartition, et la structure finale correspondant à un empilement vertical de plusieurs couches de répartition parallèles, chacune de ces couches comportant la même densité de motifs élémentaires, garnissage dans lequel lesdits motifs élémentaires s'inscrivent dans un maillage à pas triangulaire, le pas étant de 1 à 1 ,5 fois la distance minimale d définie par d= (a+a*cos(60°)+b/2sin(90°- a)), l'angle a étant l'angle que font les ailettes du motif avec l'horizontale, et qui est compris entre 45 et 75 °, et préférentiellement entre 55 et 65 °,
a étant la largeur des ailettes comprise entre 3 et 30 cm, préférentiellement entre 5 et 15 cm, et b étant la distance séparant deux couches successives comprise entre 3 et 50 cm, et préférentiellement entre 6 et 20 cm, et les couches successives étant telles que d'une couche à la suivante, le triangle formé par les 3 motifs élémentaires les plus proches appartenant à la couche (N) se trouve décalé sur la couche (N+1 ) de manière que le sommet d'un triangle de la couche (N+1 ) se situe à l'emplacement du centre du cercle inscrit dans le triangle de de la couche (N).
2) Garnissage à structure tridimensionnelle selon la revendication 1 , dans lequel le pas triangulaire selon lequel se répartissent les différents motifs élémentaires dans une couche donnée est compris entre 1 ,1 et 1 ,3 fois la distance minimale d.
3) Garnissage à structure tridimensionnelle selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel l'orientation en rotation des motifs élémentaires change d'un angle de 180° lorsqu'on passe d'une couche à la couche suivante. 4) Garnissage à structure tridimensionnelle selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'orientation en rotation des motifs élémentaires change de manière aléatoire lorsqu'on passe d'une couche à la suivante. 5) Garnissage à structure tridimensionnelle selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel à la fois l'orientation en rotation des motifs élémentaires, et le décalage des triangles formés par 3 motifs voisins, changent lorsqu'on passe d'une couche à la suivante. 6) Procédé de craquage catalytique utilisant le garnissage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comme moyen d'améliorer le contact entre la phase gaz ascendante et la phase émulsion descendante, le dit garnissage étant placé à l'intérieur du stripeur d'une unité de craquage catalytique, ledit stripeur fonctionnant avec une vitesse de fluidisation comprise entre 10 et 40 cm/s. 7) Procédé de craquage catalytique utilisant le garnissage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ledit garnissage étant placé à l'intérieur du stripeur d'une unité de craquage catalytique, et le dit stripeur fonctionnant avec un flux solide typiquement compris entre 25 et 200 kg/m2.s, et préférentiellement compris ente 50et 150 kg/m2.s.
8) Procédé de craquage catalytique utilisant le garnissage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ledit procédé étant un procédé de craquage catalytique poussé de coupes hydrocarbonées dit DCC.
9) Procédé de fabrication du garnissage selon la revendication 1 , utilisant la technique dite de fabrication additive, par exemple la fusion sélective par laser, le frittage sélectif par laser, ou encore le dépôt fil tendu.
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