WO2021115794A1 - Dispositif et procédé de séparation gaz-solide de craquage catalytique en lit fluidisé avec paroi externe de préstripage verticale - Google Patents

Dispositif et procédé de séparation gaz-solide de craquage catalytique en lit fluidisé avec paroi externe de préstripage verticale Download PDF

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WO2021115794A1
WO2021115794A1 PCT/EP2020/083507 EP2020083507W WO2021115794A1 WO 2021115794 A1 WO2021115794 A1 WO 2021115794A1 EP 2020083507 W EP2020083507 W EP 2020083507W WO 2021115794 A1 WO2021115794 A1 WO 2021115794A1
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stripping
separation
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radius
peripheral wall
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PCT/EP2020/083507
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Frederic Augier
Damien Leinekugel Le Cocq
Mathieu MORIN
Ludovic Raynal
John Hood
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IFP Energies Nouvelles
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    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G11/00—Catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
    • C10G11/14—Catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils with preheated moving solid catalysts
    • C10G11/18—Catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils with preheated moving solid catalysts according to the "fluidised-bed" technique
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00796—Details of the reactor or of the particulate material
    • B01J2208/00991—Disengagement zone in fluidised-bed reactors

Definitions

  • the invention relates to the field of refining and petrochemicals and to processes and devices for the chemical transformation of petroleum products, in particular of a crude petroleum by catalytic cracking in a fluidized bed (“fluid catalytic cracking” or FCC according to the English terminology. ).
  • An FCC unit is conventionally used in refining to convert a heavy feed, characterized by a starting boiling temperature close to 340 ° C, often greater than 380 ° C, into lighter products that can be used as fuels, in particular gasoline , first product from an FCC unit, characterized by start-of-boiling temperatures close to ambient and by end-boiling temperatures of 160 ° C or even 220 ° C depending on whether we are talking about light gasoline or not.
  • FIG. 1 shows a schematic of a reference FCC unit.
  • a charge 1 sprayed in the form of fine drops is introduced at the bottom of an ascending gas-solid entrained bed reactor 2 (“riser” according to English terminology; hereinafter referred to as central reactor) where it is mixed with a source. of solid catalyst 3 coming from a regenerator 4.
  • the gas / solid mixture is separated in a separation chamber 5 comprising in particular an internal separator 6.
  • a gas is directed towards a second separation stage (cyclone 7) in order to eliminate the fine solid particles present in the gas.
  • Solid particles (ie, coked catalyst) coming from the internal separator 6 are also distributed to a stripping chamber 8, in which the solid particles are brought into contact against the current with a stripping gas in order to release the potential hydrocarbons which have remained adsorbed. on the surface of the coked catalyst.
  • the stripping gas and the desorbed hydrocarbons join the previously separated gas while the coked catalyst is continuously withdrawn at the bottom of the stripping chamber 8.
  • the coked catalyst is then directed to the base of the regenerator 4 where the exothermic combustion of the coke regenerates. and heats the catalyst. Finally, the regenerated and heated catalyst is reinjected at the bottom of the central reactor 2 in order to maintain the catalytic cracking reactions.
  • Patent FR2767715 describes a first separation enclosure for an FCC unit developed by IFP Energys Plant.
  • the internal separator of the separation chamber comprises an envelope 111 containing separation chambers 112 and pre-stripping chambers 113, distributed axially around a top end of a central reactor 114, the chambers separation 112 and the pre-stripping chambers 113 being arranged alternately around the central reactor 114.
  • Each separation chamber 112 has in its upper part an upper inlet opening 115 communicating with the central reactor 114 and disposed between an upper wall 116 and a lower wall 117 of the separation chamber 112.
  • Each separation chamber 112 further comprises two vertical side walls 120 which also form the walls of the pre-stripping chambers 113. At least one of the vertical side walls 120 of each separation chamber 112 has a lateral outlet opening 121 below the chamber. upper inlet opening 115 to send gas and unseparated solid particles into the adjacent pre-stripping chamber 113.
  • Each separation chamber 112 further comprises a lower axial outlet opening 122 of the solid particles to a stripping chamber 123 (“stripper” according to the English terminology) disposed below the internal separator and comprising at least one gas inlet. stripping.
  • each pre-stripping chamber 113 comprises in its lower part a lower inlet opening 124 allowing the ascending stripping gas to enter.
  • the internal separator further comprises an upper discharge duct 125 of the gas connected to the pre-stripping chambers 113 via an upper outlet opening and connected to a stage of cyclones (not shown) arranged above the internal separator, the stripping chamber 123 communicating mainly with the cyclone stage via the pre-stripping chambers 113 and the upper discharge duct 125.
  • Patent FR2894842 and application US20180216012 describe other enclosures for separating an FCC unit, in which the outer walls of the pre-stripping chambers comprise flared portions completed by conical portions. Summary of the invention
  • a first object of the present description is to decrease the unwanted side reactions in the FCC units, and thus to contribute to increasing the efficiency of the gas / solid separators of the FCC units. These secondary reactions are generally the result of an excessively long residence time of the gas phase in the reactor or in the separation chamber, which leads to over-cracking of the feed or of the hydrocarbons formed and a reduction in the yields of the products. desired.
  • a device and a process for separation and stripping capable of reducing the residence time of gas mixtures in the separation chamber is described below.
  • the present invention relates to a device for separating and stripping a gas mixture and solid particles comprising: a plurality of separation chambers and a plurality of pre-stripping chambers distributed alternately around a central reactor , wherein each separation chamber comprises: an outer wall, an upper inlet opening of the gas mixture and solid particles adapted to communicate with the central reactor, a lower axial outlet opening of the solid particles adapted to communicate with a chamber of stripping disposed below the separation chamber, and two substantially vertical side walls which are also the side walls of the pre-stripping chambers, at least one of the side walls of each separation chamber comprising a lateral outlet opening for the gas mixture, communicating with an adjacent pre-stripping chamber; wherein each pre-stripping chamber comprises: a lower inlet opening for stripping gas adapted to communicate with the stripping chamber, an upper outlet opening for the gas mixture and the stripping gas adapted to communicate with a second separation stage, and a peripheral wall, in which the upper part of the peripheral wall is substantially vertical.
  • the radius of the peripheral wall is less than the radius of the external wall of the separation chamber.
  • the peripheral wall has an angle of between 0 and 15 ° relative to the central axis of the central reactor.
  • the ratio of the radius of the peripheral wall to the radius of the external wall of the separation chamber is less than 0.9.
  • the ratio of the radius of the peripheral wall to the radius of the external wall of the separation chamber is less than 0.8. According to one or more embodiments, the ratio of the radius of the peripheral wall to the radius of the external wall of the central reactor is greater than 1, 2.
  • the ratio of the radius of the peripheral wall to the radius of the external wall of the central reactor is greater than 1.4.
  • the ratio of the radius of the peripheral wall to the radius of the lateral exit opening is between 1.0 and 1.6.
  • the ratio of the radius of the peripheral wall to the radius of the lateral exit opening is between 1.0 and 1.4.
  • each pre-stripping chamber comprises an oblique inwardly descending deflector disposed on the lower end of the peripheral wall.
  • the angle y between the deflector and the central axis of the central reactor is between 0 ° and 30 °.
  • the angle g between the deflector and the central axis of the central reactor is between 10 ° and 20 °.
  • the present invention relates to a separation chamber for a fluidized bed catalytic cracking unit comprising the separation and stripping device according to the first aspect.
  • the present invention relates to a fluidized bed catalytic cracking unit comprising the separation and stripping device according to the first aspect or the separation enclosure according to the second aspect.
  • the present invention relates to a process for the separation and stripping of a gas mixture and of solid particles using the separation and stripping device according to the first aspect, the separation enclosure according to the second aspect, or A fluidized bed catalytic cracking unit according to the third aspect, said method comprising transporting the upward stripping gas into the pre-stripping chamber with essentially plug flow from the lower inlet opening to the upper outlet opening.
  • the peripheral wall the upper part of which is substantially vertical, allows the ascending stripping gas to present an essentially piston flow.
  • Figure 1 shows a schematic of a reference FCC unit.
  • Figure 2 shows a perspective view of a separation enclosure for a reference FCC unit.
  • Figure 3 shows a vertical section A of separation chambers of a separation and stripping device according to the present invention.
  • Figure 4 shows a vertical section B of pre-stripping chambers of a separation and stripping device according to the present invention.
  • Figure 5 shows a top view of a cross section C of the separation chambers and the pre-stripping chambers of a separation and stripping device according to the present invention.
  • Figure 6 shows a vertical section B of the pre-stripping chambers of a separation and stripping device according to the present invention in which the pre-stripping chamber comprises a baffle.
  • Figure 7 shows a vertical section of a simplified reference pre-stripping chamber, with flared portions completed by conical portions.
  • Figure 8 shows a vertical section of a simplified pre-stripping chamber according to the present invention, with a substantially vertical peripheral outer wall.
  • FIG. 9 shows the estimates by 3D CFD simulation of the profile of the gas velocity vectors in the simplified pre-stripping chamber of FIG. 7.
  • FIG. 10 shows the estimates by 3D CFD simulation of the profile of the gas velocity vectors in the simplified pre-stripping chamber of FIG. 8.
  • the device for separating and stripping a gas mixture and solid particles according to the present invention is applicable to gas / solid separation units, and more particularly to separation enclosures for FCC units, using in particular FCC reactors, such as a fluidized bed reactor with ascending gas-solid co-current (“riser” according to English terminology).
  • the separation and stripping device comprises a plurality of separation chambers 12 and a plurality of pre-stripping chambers 13 distributed alternately (eg horizontally) around (eg of the upper end) of a central reactor 14 (arranged vertically along a central axis Z), of substantially vertical and elongated shape (eg tubular), closed by an upper section, and in which circulate the gas mixture and the solid particles to separate.
  • a central reactor 14 arranged vertically along a central axis Z
  • substantially vertical and elongated shape eg tubular
  • the feed from the central reactor 14 is generally a heavy feed, characterized by a starting boiling temperature close to 340 ° C, often greater than 380 ° C, such as a heavy cut, for example from a distillation unit.
  • under vacuum such as vacuum gas oil ("vacuum gas oil” or "VGO” according to the English terminology), a vacuum residue, a coking gas oil, a recycle from a hydrocracking step, alone or in mixed.
  • the pulverized feed On contact with the hot solid catalyst, the pulverized feed vaporizes and endothermic cracking reactions occur along the central reactor 14, thus reducing the temperature and producing valuable products (eg CC gas 4 ; a gasoline cut; a light diesel cut ("Light Cycle Oil” or LCO according to the Anglo-Saxon terminology); a heavy diesel cut (“Heavy Cycle Oil” or HCO according to the Anglo-Saxon terminology); and an oil in the form of mud (“slurry” according to the terminology Anglo-Saxon)) and a solid residue (coke) adsorbed on the catalyst (hereinafter called solid particles).
  • valuable products eg CC gas 4 ; a gasoline cut; a light diesel cut (“Light Cycle Oil” or LCO according to the Anglo-Saxon terminology); a heavy diesel cut (“Heavy Cycle Oil” or HCO according to the Anglo-Saxon terminology); and an oil in the form of mud (“slurry” according to the terminology Anglo-Saxon)) and a solid residue (coke) adsorbed on the catalyst
  • the operating conditions of the central reactor 14 are as follows: gas surface speed: between 3 and 35 m / s; temperature: between 500 and 700 ° C and preferably less than 650 ° C; pressure: between 0.1 and 0.6 MPaa; contact time less than 1 second; and a mass ratio of the catalyst to the C / O feedstock: between 3 and 50.
  • the chambers of the same type, separation 12 or pre-stripping 13, generally have the same dimension, in particular a horizontal section (eg in the form of a ring quarter) with the same opening angle. relative to the central axis Z of the central reactor 14.
  • the separation 12 and pre-stripping 13 chambers have the same dimension, in particular a horizontal section with the same opening angle with respect to to the central axis Z of the central reactor 14.
  • the separation chambers 12 and / or the pre-stripping chambers 13 have horizontal sections with different opening angles.
  • the number of separation chambers 12 varies between 1 and 8, preferably between 2 and 4.
  • the number of pre-stripping chambers 13 varies between 1 and 8, preferably between 2 and 4.
  • the number of separation chambers 12 and the number of 13 pre-stripping chambers are identical.
  • the separation chambers 12 and the central reactor 14 form a first integral assembly.
  • Each separation chamber 12 has in its upper part an upper inlet opening 15 communicating with the central reactor 14 and arranged between an upper wall 16 and a lower wall 17 substantially (eg ⁇ 10 °) horizontal at their junction with the central reactor. 14.
  • the gas stream laden with solid particles from the central reactor 14 passes entirely into the separation chambers 12 via the upper inlet openings 15, because the central reactor 14 has a closed upper section located substantially at or at the level. above the upper part of the upper inlet openings 15, ie, at or above the substantially horizontal upper wall 16.
  • each separation chamber 12 further comprises a centrifugation zone making it possible to separate the solid particles from the gas mixture by means of the upper wall 16 and the lower wall 17, the latter curving towards the bottom to become an outer wall 18 and an inner wall 19 substantially (eg ⁇ 10 °) vertical, respectively, the curvature delimiting the centrifugation zone.
  • the centrifugation zone is defined in such a way as to allow the setting in rotation (see dotted arrows in figure 3) in a substantially vertical plane (ie vertical section A) of the gas mixture. and solid particles.
  • the solid particles having a substantially vertical and upward movement at the outlet of the central reactor 14 are found at the outlet of said centrifugation zone with a substantially vertical and downward movement.
  • Each separation chamber 12 comprises (is delimited by) an outer wall 18, an inner wall coinciding with the outer wall of the central reactor 14, and two substantially (eg ⁇ 10 °) vertical side walls 20 which also form the substantially vertical side walls. 20 of the pre-stripping chambers 13. At least one of the substantially vertical side walls 20 of each separation chamber 12 has a lateral outlet opening 21 disposed below the upper inlet opening 15 (eg (directly) below the substantially horizontal bottom wall 17 and between the substantially vertical inner wall 19 and the outer wall of the central reactor 14) adapted in particular to distribute the gas mixture and possibly non-separated solid particles to an adjacent pre-stripping chamber 13.
  • the lateral outlet opening 21 extends vertically at least as far as the lower edge of the substantially vertical internal wall 19 of the separation chamber 12, and / or up to a substantially corresponding dimension. (eg ⁇ 10%) at the largest diameter of the substantially vertical outer wall 18 of the separation chamber 12.
  • the lower edge of the lateral outlet opening 21 is preferably located at a level greater than or equal to the lower edge of the wall internal substantially vertical 19.
  • the substantially horizontal upper wall 16 of the separation chamber 12 preferably curves up to a diameter D1 of the outer wall 18, then the substantially vertical outer wall 18 is preferably extended by a vertical and / or conical portion up to a diameter D2 less than or equal to the diameter D1, then possibly further extended by a substantially (eg ⁇ 10 °) vertical end portion called the return leg.
  • the length of the vertical and / or conical portion of the outer wall 18 is greater than or equal to the length of the inner wall 19.
  • Each separation chamber 12 further comprises in its lower part, a lower axial outlet opening 22, for example to send the separated solid particles to a stripping chamber 23 (eg of a separation chamber of an FCC unit) arranged below the separation chamber 12 (and the pre-stripping chamber 13), the solid particles contacting a stripping gas (eg water vapor) against the current in the stripping chamber.
  • a stripping gas eg water vapor
  • the lower end of the substantially vertical outer wall 18, in combination with the outer wall of the central reactor 14 and the lower ends of the vertical side walls 20 delimit the lower axial outlet opening 22 and allow a substantially axial downward exit of the solid particles contained in the separation chamber 12.
  • the lower axial outlet opening 22 is located below the side exit opening 21.
  • the stripping chamber 23 comprises means for standardizing the flow of solid particles located in the upper part of said stripping chamber 23, making it possible in particular to promote contact between said solid particles and stripping gas.
  • These means promoting the uniformization of the solid gas flow can be inclined plates arranged in baffles, optionally structured packings or other means, a non-limiting description of which can be found in US patents 2440620, US 2472502, US 2481439 or US 6224833 or in books such as "material and equipment", volume 4 of the encyclopedia petroleum refining, by P. Trambouze published by Technip, 1999.
  • the pre-stripping chambers 13 comprise a peripheral wall 27 (ie outer wall, for example, of horizontal section in the form of a portion of a circle), the upper part of which is (only) substantially (eg ⁇ 15 °, preferably ⁇ 10 °, very preferably ⁇ 5 °) vertical 27 (ie, parallel to the central axis Z).
  • a peripheral wall 27 ie outer wall, for example, of horizontal section in the form of a portion of a circle
  • the upper part of which is (only) substantially (eg ⁇ 15 °, preferably ⁇ 10 °, very preferably ⁇ 5 °) vertical 27 (ie, parallel to the central axis Z).
  • the change towards the use of a peripheral outer wall of which at least the upper part is of only vertical shape results in: a decrease in the volume of the stripping chamber, a saving of space in the FCC reactor is beneficial for the location of the many cyclones, greater ease of construction, and the elimination of dead zones in the stripping chamber (confirmed in the CFD example described below).
  • the top part of the peripheral wall 27 comprises the part representing the top third of the peripheral wall 27.
  • the top part of the peripheral wall 27 comprises the part representing the upper half of the peripheral wall 27.
  • the peripheral wall 27 is adapted to allow the ascending stripping gas to pass through the pre-stripping chamber with an essentially piston flow.
  • Plug-in flow is flow in a volume without dispersion or deflection, such as flow in a tube, i.e. without the gas dispersing or mixing, it will essentially come out of the tube a few moments later the same way it entered.
  • the upper part of the peripheral wall 27 has an angle of between 0 ° and 15 ° relative to the central axis Z of the central reactor 14. According to one or more embodiments, the upper part of the peripheral wall 27 has an angle of between 0 ° and 10 ° with respect to the central axis Z of the central reactor 14. According to one or more embodiments, the upper part of the peripheral wall 27 has an angle of between 0 ° and 5 ° relative to the central axis Z of the central reactor 14. According to one or more embodiments, the peripheral wall 27 is (entirely) substantially vertical (eg ⁇ 15 °, preferably ⁇ 10 °, very preferably ⁇ 5 °).
  • the radius R27 from the Z axis to the peripheral wall 27 is less than the (largest) radius R18 from the Z axis to the outer wall 18 (for example, of horizontal section in the form of a portion of a circle) of the separation chamber 12.
  • the volume of the pre-stripping chamber 13 is reduced, which allows a reduction in residence time of the gas phase, a reduction in the problems associated with overcracking and a reduction in side reactions.
  • the ratio of the radius R27 of the peripheral wall 27 to the radius R18 of the external wall 18 of the separation chamber 12 is less than 0.9.
  • the ratio of the radius R27 of the peripheral wall 27 to the radius R18 of the external wall 18 of the separation chamber 12 is less than 0.8. According to one or more embodiments, the ratio of the radius R27 of the peripheral wall 27 to the radius R18 of the external wall 18 of the separation chamber 12 is between 0.8 and 0.4.
  • the ratio of the radius R27 of the peripheral wall 27 to the radius R14 of the axis Z to the external wall (for example, of horizontal section in portion of a circle) of the central reactor 14 is greater than 1.2. According to one or more embodiments, the ratio of radius R27 to radius R14 is greater than 1.4. According to one or more embodiments, the ratio of radius R27 to radius R14 is between 1.6 and 2.7.
  • the ratio of the radius R27 of the peripheral wall 27 to the radius R21 of the Z axis at the lateral outlet opening 21 is between 1.0 and 1.6. According to one or more embodiments, the ratio of radius R27 to radius R21 is between 1.0 and 1.4. According to one or more embodiments, the ratio of radius R27 to radius R21 is between 1.0 and 1.3.
  • the peripheral walls 27 are fixed to the substantially vertical side walls 20.
  • Each pre-stripping chamber 13 further comprises in its lower part, a lower inlet opening 24 adapted to allow the stripping gas to enter.
  • the lower inlet opening 24 is defined by the lower end of the peripheral wall 27, the two substantially vertical side walls 20, and the external wall of the central reactor 14.
  • each pre-stripping chamber 13 comprises an oblique deflector 26 descending inwardly (ie towards the Z axis) disposed on the lower end of the peripheral wall 27.
  • the deflector 26 thus arranged in the form of a cone portion makes it possible to modify the cross section of the lower inlet opening 24 and to modify the inlet speed of the stripping gas.
  • the angle y between the deflector 26 and the central axis Z of the central reactor 14 is between 0 ° and 30 °.
  • the angle g between the deflector 26 and the central axis Z of the central reactor 14 is between 5 ° and 25 °.
  • the angle g between the deflector 26 and the central axis Z of the central reactor 14 is between 10 ° and 20 ° (e.g. 15 °).
  • the separation and stripping device further comprises an upper discharge duct 25 for the gaseous effluents leaving the pre-stripping chambers 13, for example to send the gaseous effluents (gas mixture and stripping gas) to at least one second separation stage. (eg a cyclone stage not shown) of a separation enclosure of an FCC unit, the stripping chamber 23 communicating with the upper discharge duct 25 via the pre-stripping chambers 13.
  • the upper discharge duct 25 of the gaseous effluents from the pre-stripping chambers 13 is located substantially along the axis of the central reactor 14, and is connected on the one hand to said pre-stripping chambers 13 by upper outlet openings 29, and on the other hand to the second separation stage, making it possible in particular to separate the residual solid particles contained in the gaseous effluents coming from the upper discharge pipe 25.
  • the upper outlet openings 29 are openings substantially perpendicular to the central axis Z of the central reactor 14. According to one or more embodiments, the upper outlet openings 29 are arranged (directly) at the center. above the upper end of the central reactor 14. According to one or more embodiments, the upper end of the pre-stripping chambers 13 is closed by means of a substantially horizontal plate 30 (eg ⁇ 10 °, preferably ⁇ 5 ° ) or oblique and rising towards the interior (eg at an angle a between 80 ° and 20 °, preferably between 60 and 40 °, such as 45 ° with respect to the central axis Z).
  • a substantially horizontal plate 30 eg ⁇ 10 °, preferably ⁇ 5 °
  • oblique and rising towards the interior eg at an angle a between 80 ° and 20 °, preferably between 60 and 40 °, such as 45 ° with respect to the central axis Z.
  • each cyclone of the second separation stage comprises an outlet for gaseous effluents, and an outlet for solid particles plunging into the stripping chamber 23.
  • the difference in thermal expansion between, on the one hand the central reactor 14 and the separation chambers 12 forming the first integral assembly, and on the other hand the pre-stripping chambers 13 forming a second assembly is compensated by interstices separating the two sets.
  • the thermal expansion between, on the one hand, the central reactor 14 and the separation chambers 12, and on the other hand the pre-stripping chambers 13 is compensated by an expansion joint.
  • the separation and stripping device is provided so that the sum of the sections of the lateral outlet openings 21 of the separation chambers 12 has substantially (eg ⁇ 10%) the same value. that the sum of the sections of the upper inlet openings 15, and / or that the sum of the sections of the upper outlet openings 29 of the pre-stripping chambers 13 has substantially the same value as the sum of the sections of the upper inlet openings 15.
  • the gas mixture and the solid particles leave the central reactor 14 and enter the separation chamber 12, in which the solid particles are separated and are directed to the separation chamber.
  • stripping 23 and the gas mixture is directed to the pre-stripping chamber 13.
  • the gas mixture is driven to the second separation stage by an ascending stripping gas distributed by the stripping chamber 23.
  • the gas flow entering the second separation stage is separated from residual solid particles which are directed to the stripping chamber 23 by means of return legs.
  • the gas stream is then evacuated to a gaseous effluent outlet.
  • the solid particles are stripped of residual gas in the stripping chamber 23 and are discharged through a stripped catalyst outlet to a regenerator (not shown).
  • the separation and stripping device can operate while complying with the following operating conditions: gas speed at the head of the central reactor 14 from 5 m / s to 35 m / s, preferably from 10 m / s to 25 m / s ; gas speed in the upper inlet openings 15 from 5 m / s to 35 m / s, preferably from 10 m / s to 25 m / s; gas speed in the side outlet openings 21 from 5 m / s to 35 m / s, preferably from 10 m / s to 25 m / s; gas speed in the lower inlet openings 24 from 0.3 m / s to 5 m / s, preferably from 1 m / s to 4 m / s; and catalyst flow in the lower axial outlet opening 22 of between 10 and 300 kg / (m 2 .s), preferably from 50 to 200 kg / (m 2 .s), with for example solid particles characterized
  • the present CFD example confirms that, the passage of the stripping gas in the pre-stripping chamber with a flow according to the present invention, makes it possible to decrease the residence time in the pre-stripping chamber.
  • FIG. 7 and FIG. 8 show a vertical section of pre-stripping chambers, of reference with a peripheral outer wall comprising flared portions 127 completed by a straight portion 128 and a conical portion 129 (case n ° 1), and according to the invention with an entirely vertical peripheral wall 27 (case n ° 2: showing a simplified configuration of FIGS. 4 and 5), respectively.
  • the numerical simulations are carried out in 3D with the Ansys Fluent 19.2 software.
  • the gas velocity entering the pre-stripping chamber is set at 1.25 m / s (simulation at ambient temperature and atmospheric pressure in the presence of air).
  • the geometric data listed in the examples correspond approximately (eg ⁇ 10%) to 1/10 of real geometric data of a pre-stripping chamber.
  • the results of the simulation demonstrated that the residence time of the gas phase in the pre-stripping chamber is 1.79 seconds for the reference case n ° 1, and 1.22 seconds for the case n ° 2 of the present one. invention, ie a 30% reduction in the residence time for the device according to the present invention.
  • the hydrodynamics of the gas phase in case n ° 2 is close to piston flow, with the elimination of a recirculation zone 131 present in the pre-stripping chamber according to reference case n ° 1 ( see figure 9).

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Abstract

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 (12) et une pluralité de chambres de préstripage (13) réparties de manière alternée autour d'un réacteur central (14), les chambres de séparation (12) et de préstripage (13) communiquant avec une chambre de stripage (23) disposée en dessous desdites chambres de séparation (12) et de préstripage (13), dans lequel chaque chambre de préstripage (13) comprend : une ouverture d'entrée inférieure (24) de gaz de stripage adaptée pour communiquer avec la chambre de stripage (23), une ouverture de sortie supérieure (29) du mélange gazeux et du gaz de stripage adaptée pour communiquer avec un second étage de séparation, et une paroi périphérique (27), dans lequel la partie haute de la paroi périphérique (27) est sensiblement verticale.

Description

Dispositif et procédé de séparation gaz-solide de craquage catalytique en lit fluidisé avec paroi externe de préstripage verticale.
Domaine technique
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).
Technique antérieure
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 entraîné 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 et la demande US20180216012 décrivent d’autres enceintes de séparation d’une unité FCC, dans lesquelles les parois externes des chambres de préstripage comprennent des portions évasées complétées par des portions coniques. Résumé de l’invention
Un premier objet de la présente description est de diminuer les réactions secondaires non souhaitées dans les unités FCC, et de contribuer ainsi à augmenter l’efficacité des séparateurs gaz/solide des unités FCC. Ces réactions secondaires sont généralement le résultat d’un temps de séjour trop long de la phase gaz dans le réacteur ou dans l’enceinte de séparation, qui entraîne un sur-craquage de la charge ou des hydrocarbures formés et une diminution des rendements des produits désirés. A cette fin, un dispositif et un procédé de séparation et de stripage capable de diminuer le temps de séjour des mélanges gazeux dans l’enceinte de séparation, 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 ; dans lequel chaque chambre de préstripage comprend : une ouverture d’entrée inférieure de gaz de stripage adaptée pour communiquer avec la chambre de stripage, une ouverture de sortie supérieure du mélange gazeux et du gaz de stripage adaptée pour communiquer avec un second étage de séparation, et une paroi périphérique, dans lequel la partie haute de la paroi périphérique est sensiblement verticale.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rayon de la paroi périphérique est inférieur au rayon de la paroi externe de la chambre de séparation.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi périphérique présente un angle compris entre 0 et 15° par rapport à l’axe central du réacteur central.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rapport du rayon de la paroi périphérique sur le rayon de la paroi externe de la chambre de séparation est inférieur à 0,9.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rapport du rayon de la paroi périphérique sur le rayon de la paroi externe de la chambre de séparation est inférieur à 0,8. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rapport du rayon de la paroi périphérique sur le rayon de la paroi externe du réacteur central est supérieur à 1 ,2.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rapport du rayon de la paroi périphérique sur le rayon de la paroi externe du réacteur central est supérieur à 1 ,4.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rapport du rayon de la paroi périphérique sur le rayon de l’ouverture latérale de sortie est compris entre 1 ,0 et 1 ,6.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rapport du rayon de la paroi périphérique sur le rayon de l’ouverture latérale de sortie est compris entre 1 ,0 et 1 ,4.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, chaque chambre de préstripage comprend un déflecteur oblique descendant vers l’intérieur disposé sur l’extrémité basse de la paroi périphérique.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’angle y entre le déflecteur et l’axe central du réacteur central est compris entre 0° et 30°.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’angle g entre le déflecteur et l’axe central du réacteur central est compris entre 10° et 20°.
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 transporter le gaz de stripage ascendant dans la chambre de préstripage avec un écoulement essentiellement piston de l’ouverture d’entrée inférieure à l’ouverture de sortie supérieure. Avantageusement, la paroi périphérique dont la partie haute est sensiblement verticale permet au gaz de stripage ascendant de présenter un écoulement essentiellement piston. 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 B de chambres de préstripage d’un dispositif de séparation et de stripage selon la présente invention dans laquelle la chambre de préstripage comprend un déflecteur.
La figure 7 montre une coupe verticale d’une chambre de préstripage simplifiée de référence, avec des portions évasées complétées par des portions coniques.
La figure 8 montre une coupe verticale d’une chambre de préstripage simplifiée selon la présente invention, avec une paroi externe périphérique sensiblement verticale.
La figure 9 montre les estimations par simulation CFD 3D de profil des vecteurs vitesses de gaz dans la chambre de préstripage simplifiée de la figure 7.
La figure 10 montre les estimations par simulation CFD 3D de profil des vecteurs vitesses de gaz dans la chambre de préstripage simplifiée de la figure 8.
Les flèches en pointillé des figures représentent l’écoulement fluidique.
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 enceintes de séparation des unités FCC, utilisant notamment des réacteurs FCC, tels qu’un réacteur à lit fluidisé à co-courant gaz-solide ascendant (« riser » selon la terminologie anglo-saxonne).
En référence aux figures 3, 4, 5 et 6, 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 (e.g. horizontalement) autour (e.g. de l’extrémité haute) d’un réacteur central 14 (disposé verticalement selon une axe central Z), 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.
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 C 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 (e.g. en forme de quartier d’anneau) 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.
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, 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, US 2472502, 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, 5 et 6, et en comparaison avec le brevet FR2894842 et la demande US20180216012 décrivant des parois externes de chambres de préstripage comprenant des portions évasées 127 (e.g. portions sphériques ou ovoïdes comme illustrées à la figure 7) complétées par des portions droites 128 et/ou coniques 129, les chambres de préstripage 13 selon la présente invention comprennent une paroi périphérique 27 (i.e. paroi externe, par exemple, de section horizontale en forme de portion de cercle) dont la partie haute est (uniquement) sensiblement (e.g. ± 15°, préférablement ± 10°, très préférablement ± 5°) verticale 27 (i.e., parallèle à l’axe central Z). Spécifiquement, remplacer les portions évasées 127 des chambres de préstripage de l’art antérieur par une partie droite, permet de diminuer le temps de séjour de la phase gaz et ainsi de minimiser les réactions secondaires. Avantageusement, le changement vers l’utilisation d’une paroi externe périphérique dont au moins la partie supérieure est de forme seulement verticale (i.e., sans partie évasée) entraîne : une diminution du volume de la chambre de strippage, un gain d’espace dans le réacteur FCC bénéfique pour l’emplacement des nombreux cyclones, une plus grande facilité de construction, et l’élimination des zones mortes dans la chambre de strippage (confirmée dans l’exemple CFD décrit ci-après). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la partie haute de la paroi périphérique 27 comprend la partie représentant le tiers haut de la paroi périphérique 27. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la partie haute de la paroi périphérique 27 comprend la partie représentant la moitié haute de la paroi périphérique 27.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi périphérique 27 est adaptée pour permettre au gaz de stripage ascendant de traverser la chambre de préstripage avec un écoulement essentiellement piston. Un écoulement piston correspond à l’écoulement dans un volume sans dispersion ni déviation, tel que l’écoulement dans un tube, c.-à-d. sans que le gaz ne se disperse ou ne se mélange, il sortira essentiellement du tube quelques instant plus tard de la même façon qu’il est rentré.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la partie haute de la paroi périphérique 27 présente un angle compris entre 0° et 15° par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la partie haute de la paroi périphérique 27 présente un angle compris entre 0° et 10° par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la partie haute de la paroi périphérique 27 présente un angle compris entre 0° et 5° par rapport à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la paroi périphérique 27 est (entièrement) sensiblement verticale (e.g. ± 15°, préférablement ± 10°, très préférablement ± 5°).
En référence à la figure 5, selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rayon R27 de l’axe Z à la paroi périphérique 27 (par exemple, de section horizontale en forme de portion de cercle) est inférieur au (plus grand) rayon R18 de l’axe Z à la paroi externe 18 (par exemple, de section horizontale en forme de portion de cercle) de la chambre de séparation 12. Avantageusement, le volume de la chambre de préstripage 13 est diminué ce qui permet une diminution de temps de séjour de la phase gaz, une diminution des problèmes liés au surcraquage et une diminution des réactions secondaires. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rapport du rayon R27 de la paroi périphérique 27 sur le rayon R18 de la paroi externe 18 de la chambre de séparation 12 est inférieur à 0,9. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rapport du rayon R27 de la paroi périphérique 27 sur le rayon R18 de la paroi externe 18 de la chambre de séparation 12 est inférieur à 0,8. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rapport du rayon R27 de la paroi périphérique 27 sur le rayon R18 de la paroi externe 18 de la chambre de séparation 12 est compris entre 0,8 et 0,4.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rapport du rayon R27 de la paroi périphérique 27 sur le rayon R14 de l’axe Z à la paroi externe (par exemple, de section horizontale en forme de portion de cercle) du réacteur central 14 est supérieur à 1,2. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rapport du rayon R27 sur le rayon R14 est supérieur à 1,4. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rapport du rayon R27 sur le rayon R14 est compris entre 1,6 et 2,7.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rapport du rayon R27 de la paroi périphérique 27 sur le rayon R21 de l’axe Z à l’ouverture latérale de sortie 21 (le rayon R21 correspond aussi à la distance de l’axe Z à la paroi interne 19 de section horizontale en forme de portion de cercle) est compris entre 1,0 et 1,6. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rapport du rayon R27 sur le rayon R21 est compris entre 1,0 et 1,4. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le rapport du rayon R27 sur le rayon R21 est compris entre 1,0 et 1,3.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les parois périphériques 27 sont fixées aux parois latérales sensiblement verticales 20. Chaque chambre de préstripage 13 comporte en outre dans sa partie inférieure, une ouverture d’entrée inférieure 24 adaptée pour laisser entrer le gaz de stripage dans la chambre de préstripage 13. L’ouverture d’entrée inférieure 24 est définie par l’extrémité inférieure de la paroi périphérique 27, les deux parois latérales sensiblement verticales 20, et la paroi externe du réacteur central 14.
En référence à la figure 6, selon un ou plusieurs modes de réalisation, chaque chambre de préstripage 13 comprend un déflecteur 26 oblique descendant vers l’intérieur ( i.e vers l’axe Z) disposé sur l’extrémité basse de la paroi périphérique 27. Avantageusement, le déflecteur 26 ainsi disposé en forme de portion de cône permet modifier la section de l’ouverture d’entrée inférieure 24 et de modifier la vitesse d’entrée du gaz de stripage. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’angle y entre le déflecteur 26 et l’axe central Z du réacteur central 14 est compris entre 0° et 30°. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’angle g entre le déflecteur 26 et l’axe central Z du réacteur central 14 est compris entre 5° et 25°. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’angle g entre le déflecteur 26 et l’axe central Z du réacteur central 14 est compris entre 10° et 20° (e.g. 15°).
Le dispositif de séparation et de stripage comprend en outre un conduit d’évacuation supérieur 25 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 non montré) d’une enceinte de séparation d’une unité FCC, la chambre de stripage 23 communiquant avec le conduit d’évacuation supérieur 25 via les chambres de préstripage 13. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le conduit d’évacuation supérieur 25 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 29, et d’autre part au second étage de séparation, permettant notamment de séparer les particules solides résiduelles contenues dans les effluents gazeux en provenance du conduit d’évacuation supérieur 25.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les ouvertures de sortie supérieures 29 sont des ouvertures sensiblement perpendiculaires à l’axe central Z du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, les ouvertures de sortie supérieures 29 sont disposées (directement) au-dessus de l’extrémité supérieure du réacteur central 14. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’extrémité supérieure des chambres de préstripage 13 est fermée au moyen d’une plaque 30 sensiblement horizontale (e.g. ± 10°, préférablement ± 5°) ou oblique et montante vers l’intérieur (e.g. selon un angle a compris entre 80° et 20°, préférablement compris entre 60 et 40°, tel que 45° par rapport à l’axe central Z).
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 29 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 entraîné 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 5 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 10 m/s à 25 m/s ; vitesse gaz dans les ouvertures d’entrée supérieures 15 de 5 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 10 m/s à 25 m/s ; vitesse gaz dans les ouvertures latérales de sortie 21 de 5 m/s à 35 m/s, préférentiellement de 10 m/s à 25 m/s ; vitesse gaz dans les ouvertures d’entrée inférieures 24 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.
Exemple
Le présent exemple CFD confirme que, le passage du gaz de stripage dans la chambre de préstripage avec un écoulement selon la présente l’invention, permet de diminuer le temps de séjour dans la chambre de préstripage.
La figure 7 et la figure 8 montrent une coupe verticale de chambres de préstripage, de référence avec une paroi externe périphérique comprenant des portions évasées 127 complétées par une portion droite 128 et une portion conique 129 (cas n°1), et selon l’invention avec une paroi périphérique entièrement verticale 27 (cas n°2 : représentant une configuration simplifiée des figures 4 et 5), respectivement. Les simulations numériques sont réalisées en 3D avec le logiciel Ansys Fluent 19.2. La vitesse de gaz en entrée de la chambre de préstripage est fixée à 1,25 m/s (simulation à température ambiante et pression atmosphérique en présence d’air).
Les données géométriques de la simulation et les conditions opératoires/limites sont indiquées ci-dessous.
Chambre de préstripage de référence : hauteur H1 de l’ouverture de sortie supérieure 130 = 0,346 m, angle a entre l’ouverture de sortie supérieure 130 et l’extrémité supérieure de la chambres de préstripage 113 = 45°, profondeur P1 de la chambre de préstripage 113 au niveau de l’extrémité haute du réacteur central 114 = 0,195 m, profondeur maximale P2 de la chambre de préstripage 113 = 0,176 m, profondeur P3 de la chambre de préstripage 113 au niveau de l’ouverture d’entrée inférieure 124 = 0,205 m, angle b entre l’ouverture d’entrée inférieure 124 et la portion conique 129 = 105°, hauteur H2 de la portion conique 129 = 0,657 m, longueur L de la chambre de préstripage 113 = 1,66 m.
Chambre de préstripage selon la présente invention : hauteur H de l’ouverture de sortie supérieure 29 = 0,346 m, angle a entre l’ouverture de sortie supérieure 29 et la plaque 30 de la chambres de préstripage 13 = 45°, angle b entre l’ouverture d’entrée inférieure 24 et la paroi périphérique verticale 27 = 90°, profondeur P de la chambre de préstripage 13 = 0,195 m, longueur L de la chambre de préstripage 13 = 1,66 m.
Il est à noter que les données géométriques répertoriées dans les exemples correspondent approximativement (e.g. ± 10%) au 1/10 de données géométriques réelles d’une chambre de préstripage. Les résultats de la simulation ont démontré que le temps de séjour de la phase gaz dans la chambre de préstripage est de 1,79 secondes pour le cas n°1 de référence, et 1,22 secondes pour le cas n°2 de la présente invention, soit une diminution de 30% du temps de séjour pour le dispositif selon la présente invention. Par ailleurs, l’hydrodynamique de la phase gaz dans le cas n°2 est proche d’un écoulement piston, avec l’élimination d’une zone de recirculation 131 présente dans la chambre de préstripage selon le cas n°1 de référence (voir figure 9).

Claims

Revendications
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 ouverture d’entrée inférieure (24) de gaz de stripage adaptée pour communiquer avec la chambre de stripage (23) ;
- une ouverture de sortie supérieure (29) du mélange gazeux et du gaz de stripage adaptée pour communiquer avec un second étage de séparation ; et
- une paroi périphérique (27), dans lequel la partie haute de la paroi périphérique est sensiblement verticale (27).
2. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 1, dans lequel le rayon (R27) de la paroi périphérique (27) est inférieur au rayon (R18) de la paroi externe (18) de la chambre de séparation (12)
3. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la paroi périphérique (27) présente un angle compris entre 0 et 15° par rapport à l’axe central (Z) du réacteur central (14).
4. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rapport du rayon (R27) de la paroi périphérique (27) sur le rayon (R18) de la paroi externe (18) de la chambre de séparation (12) est inférieur à 0,9.
5. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rapport du rayon (R27) de la paroi périphérique (27) sur le rayon (R18) de la paroi externe (18) de la chambre de séparation (12) est inférieur à 0,8.
6. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rapport du rayon (R27) de la paroi périphérique (27) sur le rayon (R14) de la paroi externe du réacteur central (14) est supérieur à 1,2.
7. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rapport du rayon (R27) de la paroi périphérique (27) sur le rayon (R14) de la paroi externe du réacteur central (14) est supérieur à 1,4.
8. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rapport du rayon (R27) de la paroi périphérique (27) sur le rayon (R21) de l’ouverture latérale de sortie (21) est compris entre 1,0 et 1,6.
9. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rapport du rayon (R27) de la paroi périphérique (27) sur le rayon (R21) de l’ouverture latérale de sortie (21) est compris entre 1,0 et 1,4.
10. Dispositif de séparation et de stripage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque chambre de préstripage (13) comprend un déflecteur (26) oblique descendant vers l’intérieur disposé sur l’extrémité basse de la paroi périphérique (27).
11. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 10, dans lequel l’angle g entre le déflecteur (26) et l’axe central (Z) du réacteur central (14) est compris entre 0° et 30°.
12. Dispositif de séparation et de stripage selon la revendication 11, dans lequel l’angle g entre le déflecteur (26) et l’axe central (Z) du réacteur central (14) est compris entre 10° et 20°.
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 transporter le gaz de stripage ascendant dans la chambre de préstripage (13) avec un écoulement essentiellement piston de l’ouverture d’entrée inférieure (24) à l’ouverture de sortie supérieure (29).
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