Procédé de traitement d'une huile lourde ou d'une fraction d'huile lourde pour les convertir en fractions plus légères

Description

[0001] L'invention concerne le traitement de pétroles lourds ou de fractions lourdes de pétrole, à forte teneur en asphaltènes, dans le but de les convertir en fractions moins lourdes, plus aisément transportables ou traitabels par les procédés usuels de raffinage. Les huiles d'hydrogénation du charbon peuvent aussi être traitées.

[0002] Plus particulièrement, l'invention résoud le problème de la transformation d'un pétrole brut visqueux, non transportable, riche en métaux, soufre et asphaltènes, et contenant plus de 50% de constituants de point d'ébullition normal supérieur à 520 °C, en un produit hydrocarboné stable, aisément transportable, de faible teneur en métaux, soufre et asphaltènes et n'ayant qu'une teneur réduite, par exemple moins de 20% en poids, de constituants de point d'ébullition normal supérieur à 520 °C.

[0003] Le problème résolu par l'invention a longtemps fait l'objet de travaux; la principale difficulté à vaincre est celle de la désactivation des catalyseurs par les impuretés, notamment les impuretés métalliques, des charges traitées. C'est ainsi, par exemple, qu'un pétrole brut de Boscan ou de Cerro Negro peut renfermer de 200 à 1000 ppm en poids, ou plus, de métaux; ces métaux sont principalement le vanadium et le nickel, avec des proportions variables de fer et d'autres métaux.

[0004] La désactivation des catalyseurs d'hydrotraitement est illustrée par le brevet US 4 017 380 qui propose de remédier à cette difficulté par emploi d'un procédé cyclique; une unité d'hydrodésulfuration (HDS) catalytique (I) précède une unité de visbreaking (II) contenant un catalyseur d'HDS désactivé; dès que le catalyseur d'hydrodésulfuration actif (1) est désactivé, on inverse les opérations après avoir pris soin de remplacer le catalyseur (II) par du catalyseur frais: la charge passe alors sur le catalyseur actif d'HDS (11), dans des conditions d'HDS, puis sur le catalyseur inactif (1), dans des conditions d'hydrovisbreaking.

[0005] US-A-3 730 875 décrit un procédé de conversion de charges hydrocarbonées asphalténiques contenant du soufre et des métaux qui comprend les trois étapes successives suivantes:

a) une hydrogénation catalytique,

b) un hydrocraquage thermique non catalytique,

c) un hydrocraquage catalytique d'au moins une partie du produit de l'étape (b).

[0006] Selon l'enseignement très clair de ce document, pour que le procédé décrit soit performant il est indispensable que le catalyseur de l'étape (a) soit un catalyseur qui n'adsorbe pas les asphaltènes et les métaux (colonne 3, lignes 19 à 21 ).

[0007] EP-A-55 164 concerne des agglomérés d'alumine de caractéristiques particulières et une méthode de préparation de ces agglomérés. Ce document révèle de plus que ces agglomérés peuvent être utilisés comme support pour la fabrication de catalyseurs utilisables dans un très grand nombre de réactions. Parmi les réactions pour lesquelles ce support peut être utilisé on trouve les hydrotraitements de produits pétroliers (page 11, lignes 21 à 32).

[0008] Les supports préparés selon le procédé décrit dans ce document peuvent être microporeux, macroporeux ou être de type bimodaux, c'est-à-dire, comportant des micropores et des macropores. La majorité des supports décrits dans les exemples sont de type bimodaux comportant à la fois des macropores et des micropores.

[0009] Il y an donc place sur la marché pour un procédé réellement continu, dans lequel le catalyseur d'hydrotraitement peut être utilisé pendant plusieurs semaines ou plusieurs mois sans désactivation.

[0010] L'invention concerne donc un procédé de traitement d'une huile lourde ou d'une fraction d'huile lourde, contenant des asphaltènes, pour les convertir en fractions plus légères, caractérisé par les étapes suivantes:

a) on fait passer la charge, mélangée à de l'hydrogène, dans des conditions d'hydrodémétalla- tion, sur un catalyseur renfermant de l'alumine et au moins un métal de l'un au moins des groupes V, VI et VIII (groupe du fer), ledit catalyseur étant constitué d'agglomérats juxtaposés formés chacun d'une pluralité de plaquettes aciculaires, les plaquettes de chaque agglomérat étant orientées généralement radialement les unes par rapport aux autres et par rapport au centre de l'agglomérat, ledit catalyseur contenant une proportion majeure de mésopores en forme de coins,

b) on soumet le produit de l'étape (a) à des conditions d'hydroviscoréduction, et

c) on traite le produit de l'étape (b) par l'hydrogène au contact d'un catalyseur renfermant de l'alumine et au moins un métal ou composé de métal choisi dans le groupe qui comprend le molybdène, le tungstène, le nickel, le cobalt et le fer.

[0011] Selon une variante préférée, l'étape (c) est mise en oeuvre en deux étapes successives:

-d'abord au contact d'un catalyseur (C,) contenant de l'alumine, au moins un composé de molybdène et/ou tungstène et au moins un composé de nickel et/ou cobalt, le rapport pondéral des métaux

étant fixé entre 0,8:1 et 3:1 et de préférence entre 1:1 et 2:1; L'un des métaux au numérateur ou au dénominateur pouvant être absent; - puis au contact d'un catalyseur (C₂) contenant de l'alumine, au moins un composé de molybdène et/ou tungstène et au moins un composé de nickel et/ou cobalt, le rapport pondéral des métaux

étant compris entre 0,2:1 et 0,5:1, de préférence entre 0,25:1 et 0,35:1. L'un des métaux au numérateur ou au dénominateur pouvant être absent.

[0012] Le rapport en poids du catalyseur C₂ au catalyseur Ci est de préférence de 1:1 à 9:1.

[0013] Le catalyseur de l'étape (a) a été décrit dans la demande de brevet français 82 10757 du 17 juin 1982 et dans la demande de brevet EP-A 98 764. Les informations essentielles sont reprises ci-après.

[0014] En règle générale, une large proportion, le plus souvent au moins 50% des plaquettes aciculaires, ont une dimension suivant leur axe de plus grand développement comprise entre 0,05 micromètres et de préférence entre 0,1 et 2 micromètres, un rapport de cette dimension à leur largeur moyenne compris entre 2 et 20, et de préférence entre 5 et 15, un rapport de cette dimension à leur épaisseur moyenne compris entre 1 et 5000, et de préférence entre 10 et 200. Une large proportion, le plus souvent au moins 50% des agglomérats de plaquettes aciculaires constituent une collection de particules pseudo-sphériques de taille moyenne comprise entre 1 et 20 micromètres, de préférence entre 2 et 10 micromètres. Des images très adéquates pour représenter une telle structure sont par exemple un tas de bogues épineuses de chataîgnes, ou encore un tas d'oursins de mer.

[0015] La figure 1 permet de comparer la courbe de répartition poreuse d'un catalyseur (A) tel qu'utilisé à l'étape (a) de l'invention et celles correspondant à des catalyseurs monomodaux (C) ou bimodaux (B) réalisés selon l'art antérieur.

[0016] Le catalyseur utilisé dans l'invention a une distribution poreuse caractérisée de préférence comme suit:

- Volume poreux total: 0,7 à 2,0 cm³/g, de préférence 0,90 à 1,30 cm³/g.

- % du volume poreux total en pores de diamètre moyen inférieur à 10 nanomètres: 0-10.

- % du volume poreux total en pores de diamètre moyen compris entre 10 et 100 nanomètres: 40-90.

- % du volume poreux total en pores de diamètre moyen compris entre 100 et 500 nanomètres: 5-60.

- % du volume poreux total en pores de diamètre moyen compris entre 500 et 1000 nanomètres: 5-50.

- % du volume poreux total en pores de diamètre moyen supérieur à 1000 nanomètres: 5-20.

[0017] La surface spécifique de ce catalyseur est comprise entre 50 et 250 m²/g et de manière particulièrement préférée entre 120 et 180 m²/g.

[0018] La technique de microscopie électronique à balayage permet de caractériser sans ambiguité par des microphotographies un catalyseur possédant la structure ci-dessus. Les figures 2 à 5 présentent quatre microphotographies aux grossissements 300 fois, 3000 fois, 10 000 fois et 20 000 fois respectivement d'un catalyseur utilisé selon l'invention (catalyseur A) qui illustrent bien la structure particulière en oursins juxtaposés que l'on vient de décrire.

[0019] La figure 6 présente une microphotographie au grossissement nominal 110000 fois d'un faisceau de plaquettes aciculaires du catalyseur A, qui illustre bien l'allure typique de ces plaquettes. Les intervalles entre les flèches opposées marquées 1 repèrent la trace de plaquettes sur champ et sont une mesure approximative de l'épaisseur de ces plaquettes. L'intervalle entre les flèches opposées marquées 2 repère une plaquette parallèle au plan de la photographie et est une mesure de la largeur moyenne de cette plaquette. Sur la figure 6, l'échelle est de 9 nanomètres pour un millimètre et les parties foncées correspondent à la matière catalytique.

[0020] En revanche, les figures 7 à 10 présentent quatre microphotographies prises aux mêmes grossissements respectifs que les figures 2 à 5 et avec le même appareil, sur un échantillon de catalyseur (cataylseur B) préparé en utilisant des billes d'alumine bimodales obtenues par le procédé breveté en France sous le numéro 2 449 474: ces photographies illustrent bien la description qui est donnée dans ce dernier brevet, à savoir que la macroporosité résulte des vides interparticulaires existant entre des particules microporeuses sphéroïdales, dont la répartition granulométrique et la compacité de l'empilement déterminent le volume macroporeux et la taille des macropores. Sur les photographies des figures 2 à 5 et 7 à 10, les plages foncées correspondent aux espaces vides des structures des catalyseurs, c'est-à-dire à la macroporosité, tandis que les parties claires correspondent à la matière catalytique. La répartition des diamètres des macropores du catalyseur B peut être mesurée sur les photographies et elle correspond bien à celle que l'on obtient par porosimé- trie au mercure et qui est représentée figure 1. La comparaison des microphotographies fait bien apparaître que les particules sphéroïdales microporeuses du catalyseur B n'ont pas la structure en oursin obtenue pour le catalyseur A utilisé dans l'étape (a) de l'invention.

[0021] Les catalyseurs utilisés dans l'étape (a) du présent procédé ont une excellente résistance au colmatage des bouches de pores; ce résultat peut être expliqué comme suit:

- Les pores présents dans ces catalyseurs, constitués en majorité par les espaces libres situés entre les plaquettes aciculaires rayonnantes, sont des pores «en coins» et donc de diamètre continu- ment variable.

- Ces pores rayonnants ne sont pas nécessairement linéaires en direction.

- Ces pores rayonnants ne sont pas des canaux d'accès à des micropores de diamètres inférieurs à 10 nanomètres, comme dans les catalyseurs connus, mais ils constituent eux-mêmes une méso- porosité offrant une surface catalytiquement active.

[0022] Un catalyseur utilisable pour l'étape (a) de l'invention peut être préparé suivant la méthode suivante, sans limiter l'invention à cette méthode particulière de préparation: On utilise comme support des agglomérés d'alumine en particules de l'ordre de 0,1 à 10 millimètres ou en poudre en particules de l'ordre de 20 à 100 micromètres ayant eux-mêmes la structure en oursin précitée et répondant sensiblement aux mêmes caractéristiques que celles du catalyseur de l'invention, notamment en ce qui concerne les formes et les dimensions des plaquettes et des agglomérats, la surface spécifique et la porosité.

[0023] Sur ces agglomérés, on dépose, par toute méthode connue, le ou les métaux catalytiques, à savoir au moins un métal ou composé de métal appartenant à l'un au moins des groupes V, VI et VIII (groupe de fer) de la classification périodique, plus particulièrement l'un au moins des métaux suivants: molybdène, tungstène, fer, vanadium, cobalt et nickel. Des associations préférées sont molybdène + cobalt, molybdène + nickel, vanadium + nickel, tungstène + nickel.

[0024] Les métaux précités sont le plus souvent introduits sous forme de précurseurs tels que oxydes, acides, sels, complexes organiques, et en quantités telles que le catalyseur renferme de 0,5 à 40% et de préférence de 1 à 20% en poids de ces métaux exprimés en oxydes. Ces précurseurs sont bien connus et il est donc inutile d'en donner une liste ici. On termine par un séchage éventuel et un traitement thermique à une température comprises entre 400 et 800 degrés centigrades.

[0025] Pour préparer les agglomérés d'alumine, on peut partir d'alumine ou d'alumine renfermant d'autres éléments, par exemple du sodium, des terres rares ou de la silice. On préfère une alumine renfermant de 100 à 1000 parties par million en poids de silice. On opère de préférence comme suit:

a) On traite des agglomérés d'alumine dans un milieu aqueux constitué d'un mélange d'au moins un acide permettant de dissoudre au moins une partie de l'alumine des agglomérés et d'au moins un composé apportant un anion capable de se combiner avec les ions aluminium en solution, ce dernier composé étant un individu chimique distinct de l'acide précité.

b) On soumet simultanément ou subséquemment les agglomérés ainsi traités â un traitement à une température comprise entre environ 80 degrés C et environ 250 degrés C pendant une période comprise entre environ quelques minutes et environ 36 heures.

c) On sèche éventuellement les agglomérés et on les soumet à une activation thermique à une température comprise entre environ 500 °C et environ 1100 °C.

[0026] Les agglomérés-d'alumine active mis en ceuvre selon la présente invention peuvent être préparés à partir d'une poudre d'alumine active présentant une structure mal cristallisée et/ou amorphe, par exemple obtenue selon le procédé décrit dans;le brevet français n° 1 438 497.

[0027] L'alumine active mise en oeuvre est généralement obtenue par déshydratation rapide des hydroxydes d'aluminium tels que la bayerite, l'hydrargillite ou gibbsite, la nordstrandite ou les oxyhydroxydes d'aluminium tels que la boehmite et le diaspore.

[0028] L'agglomération de l'alumine est réalisée selon les méthodes bien connues de l'homme de l'art et, en particulier, par pastillage, extrusion, mise en forme de billes au drageoir tournant, etc.

[0029] D'une manière préférée, cette agglomération est effectuée, ainsi qu'il est bien connu de l'homme de l'art, en ajoutant des agents porogè- nes au mélange à agglomérer. Les agents porogè- nes que l'on peut utiliser sont notamment la farine de bois, le charbon de bois, la cellulose, les amidons, le naphtalène, et, d'une manière générale, tous les composés organiques susceptibles d'être éliminés par calcination.

[0030] On opère ensuite, le cas échéant, le mûrissement, le séchage et/ou la calcination des agglomérés.

[0031] Les agglomérés d'alumine active obtenus présentent généralement les caractéristiques suivantes: leur perte au feu mesurée par calcination à 1000 °C est comprise entre environ 1 et environ 15%, leur surface spécifique est comprise entre environ 100 et environ 350 m²/g, leur volume poreux total est compris entre environ 0,45 et environ 1,5 c_m³_/g.

[0032] Les agglomérés d'alumine active sont ensuite traités dans un milieu aqueux constitué d'un mélange d'au moins un acide permettant de dissoudre au moins une partie de l'alumine des agglomérés et d'au moins un composé apportant un anion capable de se combiner avec les ions aluminium en solution.

[0033] Ici, on entend par acide permettant de dissoudre au moins une partie de l'alumine des agglomérés tout acide qui, mis en contact avec les agglomérés d'alumine active définis ci-dessus, réalise la mise en solution d'au moins une partie des ions aluminium. L'acide doit dissoudre au moins 0,5% et au plus 15% en poids d'alumine des agglomérés. Sa concentration dans le milieu aqueux de traitement doit être inférieure à 20% en poids et de préférence comprise entre 1 % et 15%.

[0034] On utilisera de préférence les acides forts tels que l'acide nitrique, l'acide chlorhydrique, l'acide perchlorique, l'acide sulfurique ou des acides faibles mis en oeuvre à une concentration telle que leur solution aqueuse présente un pH inférieur à environ 4.

[0035] Ici, on entend par composé apportant un anion capable de se combiner avec les ions aluminium en solution, tout composé capable de libérer en solution un anion A(-n) susceptibel de former avec les cations AI(3+) des produits dans lesquels le rapport atomique n(A/Al) est inférieur ou égal à 3. Un cas particulier de ces composés peut être illustré par les sels basiques de formule générale A12(OH).,Ay dans laquelle 0 < x < 6; ny < 6; n représente le nombre de charges de l'anion A.

[0036] La concentration de ce composé dans le milieu aqueux de traitement doit être inférieure à 50% en poids et de préférence comprise entre 3% et 30%.

[0037] On utilise de préférence les composés capables de libérer en solution les anions chosis parmi le groupe constitué par les anions nitrate, chlorure, sulfate, perchlorate, chloroacétate, dichloracétate, trichloracétate, bromoacétate, dibromacétate, et les anions de formule générale:

dans laquelle R représente un radical pris dans le groupe comprenant H, CH₃, C₂H₅, CH₃CH₂CH₂, (CH₃)₂CH.

[0038] Les composés capable de libérer en solution l'anion A(-n) peuvent opérer cette libération, soit directement par exemple par dissociation, soit indirectement par exemple par hydrolyse. Les composés peuvent notamment être chosis parmi le groupe comportant: les acides minéraux ou organiques, les anhydrides, les sels organiques ou minéraux, les esters. Parmi les sels minéraux, on peut citer les sels alcalins ou alcalino-terreux solubles en milieu aqueux, comme ceux du sodium, de potassium, de magnésium ou de calcium, les sels d'ammonium, les sels d'aluminium, les sels de terres rares.

[0039] Ce traitement peut être effectué soit par imprégnation à sec des agglomérés, soit par immersion des agglomérés dans la solution aqueuse constituée du mélange précité d'acide et de composé apportant l'anion désiré. Par imprégnation à sec, on entend mise en contact des agglomérés d'alumine avec un volume de solution inférieur ou égal au volume poreux total des agglomérés traités.

[0040] Selon un mode particulièrement préféré de mise en oeuvre on utilisera comme milieu aqueux des mélanges d'acide nitrique et acétique ou d'acide nitrique et formique.

[0041] On soumet simultanément ou subséquemment les agglomérés ainsi traités à un traitement à une température comprise entre environ 80 et environ 250 °C pendant une période de temps comprise entre environ 5 minutes et environ 36 heures.

[0042] Ce traitement hydrothermique n'entraîne aucune perte d'alumine.

[0043] On opère de préférence à une température comprise entre 120 et 220 °C pendant une période de temps comprise ente 15 minutes et 18 heures.

[0044] Ce traitement constitue un traitement hydrothermal des agglomérés d'alumine active qui réalise la transformation d'au moins une partie de ceux-ci en boehmite. Ce traitement hydrothermal peut être réalisé soit sous pression de vapeur saturante, soit sous une pression partielle de vapeur d'eau au moins égale à 70% de la pression de vapeur saturante correspondant à la température de traitement.

[0045] Sans limiter la méthode à la théorie, on peut penser que l'association d'un acide qui permet la dissolution d'au moins une partie de l'alumine et d'un anion qui permet la formation des produits décrits ci-dessus lors du traitement hydrothermal entraîne l'obtention d'une boehmite particulière, précurseur des plaquettes aciculaires de l'invention, dont la croissance procède radialement à partir de germes de cristallisation.

[0046] De plus, la concentration de l'acide et du composé dans le mélange de traitement et les conditions de traitement hydrothermal mises en oeuvre sont telles qu'il n'y a pas de perte d'alumine. L'augmentation de la porosité à la suite du traitement est donc due à une expansion des agglomérés au cours du traitement et non à une perte d'alumine.

[0047] Les agglomérés ainsi traités sont ensuite éventuellement séchés à une température généralement comprise entre environ 100 et 200 °C pendant une période de temps suffisante pour enlever l'eau qui n'est pas chimiquement liée. Les agglomérés sont ensuite soumis à une activation thermique à une température comprise entre environ 500 °C et environ 1100 °C pendant une période comprise entre environ 15 minutes et 24 heures.

[0048] Les opérations d'activation peuvent se faire en plusieurs étapes. On opérera de préférence une activation à une température comprise entre environ 550 °C et 950 °C.

[0049] Les agglomérés d'alumine active résultants présentent les caractéristiques suivantes:

Une densité de remplissage tassé comprise entre environ 0,36 et 0,75 g/cm³.

[0050] Un volume poreux total (VPT) compris entre 0,7 et environ 2,0 cm³/g.

[0051] Une répartition des volumes poreux suivant la taille des pores conforme aux valeurs énoncées plus haut, concernant le catalyseur utilisé dans la première étape du procédé de l'invention, au facteur correctif près traduisant l'alourdissement dû au dépôt des métaux.

[0052] Une surface spécifique mesurée par la méthode B.E.T. comprise entre environ 80 et environ 250 _m2_/g.

[0053] Une solidité mécanique comprise entre 2 et environ 20 kg, mesurée par la méthode d'écrasement grain par grain.

[0054] Le procédé précité de préparation d'agglomérés d'alumine permet notamment et de façon totalement inattendue de modifier la répartition des volumes poreux suivant la taille des pores des agglomérés non traités. Il permet notamment d'augmenter la proportion des pores compris entre 10 et 100 nanomètres, de réduire la proportion des pores inférieurs à 10 nanomètres et de diminuer la proportion des pores supérieurs à 500 nanomètres en modifiant peu la proportion des pores compris entre 100 et 500 nanomètres.

[0055] Les agglomérés d'alumine ainsi obtenus peuvent avoir été thermiquement stabilisés par les terres rares, la silice ou les métaux alcalino-terreux.

[0056] En ce qui concerne l'étape (c) du procédé, il a été précisé ci-dessus que l'on opérait préférentiellement en utilisant deux lits successifs de catalyseurs, nommés plus haut (Ci ) et (C₂).

[0057] Le support du catalyseur (C,) est constitué de préférence par une alumine de faible acidité, c'est à dire présentant une chaleur de neutralisation par adsorption d'ammoniac à 320 °C inférieure à 40 joules (et préférentiellement inférieure à 30 joules) par gramme d'alumine, sous une pression d'ammoniac de 0,4 bars. Ce support d'alumine présente une surface de 50 à 300 m²/g et, de préférence, de 40 à 150 m²/g, ainsi qu'un volume poreux généralement compris entre 0,4 et 1,3 cm³/g. On peut citer comme exemple de ce type de support les alumines ayant subi un autocla- vage sous pression de vapeur d'eau.

[0058] Le catalyseur (C₂) utilisé dans le deuxième lit catalytique sera de préférence incorporé sur un support présentant un caractère plus acide que le support du catalyseur (C_l): son acidité, déterminée comme ci-dessus par adsorption d'ammoniac, sera préférentiellement supérieure à 30 joules/g. Sa surface est de préférence comprise entre 150 et 350 m²/g, et son volume poreux de préférence compris entre 0,4 et 1 cm³/g. On peut citer comme supports répondant à ces caractéristiques de l'alumine y ex boehmite ou il ex bayerite, ou encore des supports de type alumine/magnésie ou silice/magnésie contenant environ de 5 à 10% en poids de magnésie.

[0059] Les techniques d'incorporation des métaux actifs ( par exemple, Mo, W, Ni, Co, Fe) présents aux étapes (a) et (c) du procédé sont conventionnelles. Ces catalyseurs fonctionnent principalement, en cours d'opération, sous forme sulfurée; leur sulfuration peut être préalable au traitement de la charge ou résulter du passage de cette dernière.

- L'étape (a) est mise en oeuvre à une température généralement comprise entre 350 et 425 °C, sous une pression de 40 à 200 bars, en utilisant un débit horaire de charge liquide de 0,2 à 2 m³/ m³/h, la quantité d'hydrogène étant habituellement de 300 à 3000 Nm³/_m³.

- L'étape (b) est mise en oeuvre en présence d'hydrogène dans un espace de réaction vide ou contenant un matériau relativement inerte, à une température comprise entre 420 et 500 °C sous une pression de 40 à 200 bars, le temps de séjour de la charge étant d'environ 10 s à 15 min, et la quantité d'hydrogène généralement comprise entre 300 et 3000 Nm³/_m³.

- L'étape (c) est mise en oeuvre entre 300 et 425 °C, sous une pression de 30 à 200 bars, la quantité d'hydrogène étant habituellement de 500 à 3000 Nm³/m³, et le débit horaire de charge liquide étant de 0,2 à 2 m³/m³/h.

[0060] L'invention est illustrée par la figure 11.

[0061] Un mélange d'huile lourde asphaltique et d'hydrogène est envoyé par la ligne 1 au réacteur d'hydrodémétallation catalytique 2, puis par la ligne 3 au réacteur d'hydroviscoréduction 4. L'effluent est envoyé par la ligne 5 de préférence en présence d'un apport d'hydrogène fourni par la ligne 6 au réacteur 7 contenant un premier lit de catalyseur 8 et un second lit de catalyseur 9. Le produit final est soutiré par la ligne 10.

[0062] Les charges qui peuvent être traitées selon l'invention sont, par exemple, les pétroles bruts, les résidus sous vide, les résidus atmosphériques, les huiles de schistes ou de sables bitumineux ou les asphaltes. Les huiles ont le plus souvent une densité supérieure à: (d l⁵) 0,965, un degré API inférieur à 15,1, une teneur en asphaltènes (déterminée avec le n-heptane) supérieure à 5% en poids, une teneur en métaux (Ni + V) supérieure à 200 ppm en poids et une viscosité supérieure à 50 cSt (50 mm²/s) à 100 °C.

Exemple

[0063] On traite un brut de Cerro Negro présentant les caractéristiques suivantes:

_d l⁵ = ₁,₀₀₇

°API = 9

Métaux (Ni + V) = 500 ppm en poids

Asphaltènes (extraits à l'heptane) = 10,5% en poids

Soufre = 3,7% en poids

% distillant au dessus de 520 °C = 58% en poids viscosité = 249 cSt (249 mm²/s) à 100 °C

[0064] On fait passer ce brut, additionné d'hydrogène, sur un catalyseur (A) renfermant, en poids:

[0065] Les figures 2 à 5 présentent des microphotographies du catalyseur A effectuées au moyen d'un microscope électronique à balayage de marque JEOL, modèle JSM 35 CF, aux grandissements respectifs 300, 3000, 10 000 et 20 000. Les échelles indiquées sur chaque photographie permettent de mesurer les dimensions des détails observables. Les parties sombres correspondent à la porosité, tandis que les parties claires correspondent à la matière catalytique. On peut voir que le catalyseur A possède bien la structure «en oursins» selon l'invention, à savoir une juxtaposition d'agglomérats ayant en majorité une dimension moyenne de 3,5 micromètres, chaque agglomérat étant formé de plaquettes allongées aciculaires, assemblées généralement radialement par rapport au centre des agglomérats. Les dimensions des plaquettes aciculaires sont mesurables en particulier sur la figure 6, qui est une microphotographie prise au grossissement nominal 110 000 avec un microscope électronique à transmission à balayage (S.T.E.M. VG HB5). Les plages sombres correspondent cette fois à la matière catalytique. L'échelle de cette microphotographie est de 9 nanomètres pour un millimètre. Les intervalles délimités par des flèches opposées repérées 1 et 2 correspondent respectivement aux traces de plaquettes aciculaires disposées perpendiculairement et parallèlement au plan de l'image. Les intervalles 1 donnent donc une mesure approximative de l'épaisseur des plaquettes et l'intervalle 2 une mesure de largeur de plaquette, soit respectivement environ 2 à 4 nanomètres et 60 nanomètres, les plaquettes de la figure 6 ont une longueur de l'ordre de 0,5 à 1 micromètre, ce qui est en accord avec les longueurs mesurables sur la figure 5 où l'on voit ces plaquettes disposées dans les agglomérats. Le rapport de la longueur moyenne à la largeur moyenne est donc d'environ 8 à 16 et le rapport de la longueur moyenne à l'épaisseur moyenne est d'environ 120 à 480.

[0066] La figure 1 présente notamment la courbe de répartition poreuse cumulée du ctalyseur A. Le diamètre des pores (D), exprimé en nanomètres, figure en abscisses et le volume poreux cumulé (V), exprimé en cm³/g, en ordonnées. On peut constater que la répartition est conforme à la définition de l'invention et en particulier qu'elle ne possède pas de point d'inflexion intermédiaire bien marqué.

[0067] Le passage de la charge et de l'hydrogène sur le catalyseur (A) présulfuré se fait dans les conditions suivantes:

-température: 380 à 410 °C

- pression: 150 bars

- débit horaire de charge liquide: 0,5 m³/m³ /h

-quantité d'H₂:800 Nm³/m³ de charge.

[0068] L'effluent est ensuite soumis à l'étape (b) du procédé (hydroviscoréduction). Les conditions sont les suivantes:

-pression: 150 bars

-température:

460 °C dans le four

450 °C dans la chambre de maturation

-temps de résidence:

10 s dans le four

8 min dans la chambre de maturation

- quantité d'H₂ par rapport à la charge: 800 Nm³/m³ (provenant de l'étape (a)).

[0069] L'effluent d'hydroviscoréduction est envoyé, avec de l'hydrogène, dans un réacteur comprenant deux lits successifs de catalyseur:

Le premier lit représente 20% en poids de la somme des deux catalyseurs utilisés; il est constitué par du nickel et du molybdène dans un rapport pondéral Ni = 1,68. Le support de ce catalyseur est une alumine de faible acidité, présentant une chaleur de neutralisation par adsorption de NH₃ de 20 joules/g; sa surface spécifique est de 140 m²/g, son volume poreux étant de 0,48 c_m3/g.

[0070] Ce catalyseur est un catalyseur commercial vendu par la Société française PRO-CATALYSE sous la dénomination LD 145.

[0071] Le deuxième lit représente 80% en poids de la somme des catalyseurs utilisés; il est constitué par du cobalt et du molybdène dans un rapport pondéral

= 0,25. Son support est du type alumine y, présentant une surface spécifique de 210 m²/g, le volume poreux étant de 0,52 cm³/g ; ce support présente une chaleur de neutralisation par adsorption de NH₃ de 40 joules/g.

[0072] Ce catalyseur est un catalyseur commercial vendu par la Société française PRO-CATALYSE sous la dénomination HR 306.

[0073] Le rapport pondéral de catalyseur du 2e lit au 1 er lit est donc de 4.

[0074] La température est comprise, dans le réacteur, entre 370 et 400 °C, la pression étant de 140 bars. Le débit horaire de charge liquide est de 0,5 m³/ m³/h, la quantité d'hydrogène par rapport à la charge est de 1 200 Nm³/_m ³.

[0075] Le produit liquide final obtenu après ces opérations présente les caractéristiques suivantes:

= 0.885

°API=28,4

Teneur en métaux (Ni + V) < 10 ppm en poids Teneur en asphaltènes (extraits à l'heptane): 1,5% en poids

Teneur en soufre: 0,3% en poids

% distillant au-dessus de 520 °C = 12% en poids

Viscosité: 2,5 cSt (2,5 mm²/s) à 100 °C 30 cSt (30 mm²/s) à 20 °C

[0076] Rendement pondéral de l'effluent liquide par rapport au brut d'origine: 94%.

[0077] Le procédé a donc permis de transformer un brut lourd, visqueux, non transportable, à forte teneur en impuretés, en un brut synthétique stable, aisément transportable, à faible teneur en impuretés.

[0078] La durée de vie des catalyseurs est exceptionnelle, compte tenu de la nature de la charge. L'essai a été interrompu après 2300 heures, alors que l'activité du catalyseur de l'étape (a) représentait encore 50% de l'activité initiale. Le pouvoir de rétention de ce catalyseur est exceptionnel (130 g de métaux fixés pour 100 g de catalyseur frais).

Revendications

1. Procédé de traitement d'une huile lourde ou d'une fraction d'huile lourde, contenant des asphaltènes, pour les convertir en fractions plus légères, caractérisé par les étapes suivantes:

a) on fait passer la charge, mélangée à de l'hydrogène, dans des conditions d'hydrodémé- tallation, sur un catalyseur renfermant de l'alumine et au moins un métal de l'un au moins des groupes V, VI et VIII (groupe du fer), ledit catalyseur étant constitué d'agglomérats justaposés, formés chacun d'une pluralité de plaquettes aciculaires, les plaquettes de chaque agglomérat étant orientés généralement radialement les unes par rapport aux autres et par rapport au centre de l'agglomérat, ledit catalyseur contenant une proportion majeure de mésopores en forme de coins,

b) on soumet le produit de l'étape (a) à des conditions d'hydroviscoréduction, et

c) on traite le produit de l'étape (b) par l'hydrogène au contact d'un catalyseur renfermant de l'alumine et au moins un métal ou composé de métal choisi dans le groupe qui comprend le molybdène, le tungstène, le nickel, le cobalt et le fer.

2. Procédé selon la renvedication 1, dans lequel l'étape (c) est mise en oeuvre d'abord au contact d'un catalyseur C_l, puis au contact d'un catalyseur C₂, chacun de ces catalyseurs renfermant de l'alumine, au moins un composé de moybdène et/ou tungstène et au moins un composé de nickel et/ou cobalt, le rapport pondéral des métaux

étant de 0,8:1 à 3:1 pour le catalyseur C, et de 0,2:1 à 0,5:1 pour le catalyseur C₂, le rapport en poids du catalyseur C₂ au catalyseur Ci étant de 1:1 à 9:1, l'un de métaux au numérateur ou au dénominateur pouvant être absent.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les conditions d'hydroviscoréduction sont:

- pression: 40 à 200 bars

-température: 420 à 500 bars

- quantité d'hydrogène par rapport à la charge: 300 à 3000 N_m³_/m3

-temps de séjour: 10 s à 15 min.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les agglomérats du catalyseur de l'étape (a) ont une taille moyenne généralement comprise entre 1 et 20 micromètres, les plaquettes aciculaires ayant une longueur moyenne généralement comprise entre 0.05 et 5 micromètres, un rapport de leur longueur moyenne à leur largeur moyenne généralement compris entre 2 et 20, un rapport de leur longueur moyenne à leur épaisseur moyenne généralement compris entre 1 et 5000.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le catalyseur de l'étape (a) présente une surface spécifique comprise entre 50 et 250 m²/g, un volume poreux total compris entre 0,7 et 2,0 cm³/g et dont la répartition poreuse est la suivante:

-% du volume poreux total en pores de diamètre moyen inférieur à 10 nanomètres: 0-10

- % du volume poreux total en pores de diamètre moyen compris entre 10 et 100 nanomètres: 40-90

-% du volume poreux total en pores de diamètre moyen compris entre 100 et 500 nanomètres: 5-60

- % du volume poreux total en pores de diamètre moyen compris entre 500 et 1000 nanomètres: 5-50

-% du volume poreux total en pores de diamètre moyen supérieur à 1000 nanomètres: 5-20.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le support du catalyseur de l'étape (a) est de l'alumine contenant de 100 à 1000 ppm de silice.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le catalyseur de l'étape a) renferme de 0,5 à 40% en poids d'au moins un métal de l'un au moins des groupes V, VI et VIII (groupe du fer) exprimés en oxydes.

Ansprüche

1. Verfahren zur Behandlung von Schwerölen oder Schwerölfraktionen, die Asphaltene enthalten, zur Überführung in leichtere Fraktionen, gekennzeichnet durch die folgenden Stufen:

a) man lässt eine Charge, gemischt mit Wasserstoff, unter den Bedingungen der Hydrodemetallisierung über einen Katalysator laufen, der Aluminiumoxid und zumindest ein Metall aus zumindest einer der Gruppen V, VI und VIII (Eisengruppe) enthält, wobei dieser Katalysator aus nebeneinander liegenden Agglomeraten besteht, die jeweils aus einer Vielzahl von nadelförmigen Plättchen gebildet sind, wobei die Plättchen jedes Agglomerats im allgemeinen radial zueinander und zum Zentrum des Agglomerats orientiert sind und dieser Katalysator einen grösseren Mengenanteil an Mesoporen in Keilform enthält,

b) man unterwirft das Produkt der Stufe a) Hydroviskoreduktionskonditionen und

c) man behandelt das Produkt der Stufe b) mit Wasserstoff in Kontakt mit einem Kataiysator, der Aluminiumoxid und zumindest ein Metall oder eine Verbindung eines Metalls aus der Gruppe, die Molybdän, Wolfram, Nickel, Kobalt und Eisen enthält, aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe c) durchgeführt wird, indem man zuerst in Kontakt mit einem Katalysator C, und dann in Kontakt mit einem Katalysator C₂ bringt, wobei jeder dieser Katalysatoren Aluminiumoxid, zumindest eine Verbindung von Molybdän und/oder Wolfram und zumindest eine Verbindung von Nickel und/oder Kobalt enthält, wobei das Gewichtsverhältnis der Metalle

0,8:1 bis 3:1 für den Katalysator C, und 0,2:1 bis 0,5:1 für den Katalysator C₂, und das Gewichtsverhältnis des Katalysators C₂ zum Katalysator C, 1:1 bis 9:1 betragen, wobei eines der Metalle im Zähler oder im Nenner fehlen kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydroviskoreduktionsbedingungen wie folgt sind:

Druck: 40 bis 200 bar

Temperatur: 420 bis 500 °C

Wasserstoffmenge bezogen auf Beladung: 300 bis 3000 Nm³_/m3

Verweilzeit:10 sec bis 15 min.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Agglomerate des Katalysators der Stufe (a) eine mittlere Verteilung von im allgemeinen zwischen 1 und 20 µm, die nadelförmigen Plättchen eine mittlere Länge von im allgemeinen 0,05 bis 5 µm und ein Verhältnis ihrer mittleren Länge zu ihrer mittleren Breite von im allgemeinen zwischen 2 und 20, und ein Verhältnis ihrer mittleren Länge zu ihrer mittleren Dicke von im allgemeinen zwischen 1 und 5000 haben.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator der Stufe a) eine spezifische Oberfläche zwischen 50 und 250 m²/g, ein gesamtes Porenvolumen zwischen 0,7 und 2,0 cm³/g und folgende Porenverteilung aufweist:

% des gesamten Porenvolumens an Poren mit einem mittleren Durchmesser unterhalb 10 nm: 0-10

% des gesamten Porenvolumens mit Poren mit einem mittleren Durchmesser zwischen 10 und 100 nm: 40- 90

% des gesamten Porenvolumens an Poren mit einem mittleren Durchmesser zwischen 100 und 500 nm: 5-60

% des gesamten Porenvolumens an Poren mit einem mittleren Durchmesser zwischen 500 und 1000 nm: 5-50

% des gesamten Porenvolumens an Poren mit einem mittleren Durchmesser über 1000 nm: 5-20.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger des Katalysators der Stufe a) Aluminiumoxid ist, das 100 bis 1000 ppm Siliciumdioxid enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet. dass der Katalysator der Stufe a) 0,5 bis 40 Gew.-% an zumindest einem Metall aus zumindest einer der Gruppen V, VI und VIII (Eisengruppe), ausgedrückt in Oxiden, enthält.

Claims

1. A process for treating an asphaltene-containing heavy oil or heavy oil fraction to convert it to lighter fractions, characterized by the following steps of:

a) passing the charge, admixed with hydrogen, under hydrodemetallation conditions, over a catalyst containing alumina and at least one metal from at least one of groups V, VI and VIII (iron group), said catalyst consisting of juxtaposed conglomerates each formed of a plurality of acicular plates, the plates of each conglomerate being generally radially oriented with respect to one another and with respect to the center of the conglomerate, said catalyst comprising a major proportion of wedge-shaped mesopores;

b) subjecting the product from step (a) to hydrovisbreaking conditions; and

c) treating the product from step (b) with hydrogen in contact with a catalyst containing alumina and at least one metal or compound of a metal selected from the group comprising molybdenum, tungsten, nickel, cobalt and iron.

2. A process according to claim 1, wherein step (c) is conducted first in contact with a catalyst C₁, then in contact with a catalyst C_z, each of these catalysts containing alumina, at least one molybdenum and/or tungsten compound and at least, one nickel and/or cobalt compound, the ratio by weight of the metals

being from 0.8:1 to 3:1 for catalyst C, and from 0.2:1 to 0.5:1 for catalyst C₂, the ratio by weight of catalyst C₂ to catalyst C, being from 1:1 to 9:1, one of the metals at the numerator or at the denominator being optionally omitted.

3. A process according to one of claims 1 or 2, wherein the hydrovisbreaking conditions are:

- pressure: 40 to 200 bars

-temperature: 420to 550 °C

- hydrogen amount in proportion to the charge: 300 to 3000 Nm³/m³

- residence time: 10 seconds to 15 minutes.

4. A process according to any of claims 1 to 3, wherein the catalyst conglomerates of step (a) have an average size generally from 1 to 20 micrometers, the acicular plats having an average length generally from 0.05 to 5 micrometers, a ratio of their average length to their average width generally from 2 to 20 and a ratio of their average length to their average thickness generally from 1 to 5000.

5. A process according to any of claims 1 to 4, wherein the catalyst of step (a) has a specific surface from 50 to 250 m²/g, a total pore volume from 0.7 to 2.0 cm³/g and a pore distribution as follows:

-% of the total pore volume in pores of average diameter smaller than 10 nanometers: 0-10

- % of the total pore volume in pores of average diameter from 10 to 100 nanometers: 40-90

- % of the total pore volume in pores of average diameter from 100 to 500 nanometers: 5-60

- % of the total pore volume in pores of average diameter from 500 to 1000 nanometers: 5-50

- % of the total pore volume in pores of average diameter larger than 1000 nanometers: 5- 20.

6. A process according to any of claims 1 to 5 wherein the catalyst carrier of step (a) is alumina containing from 100 to 1000 ppm of silica.

7. A process according to any of claims 1 to 6, wherein the catalyst of step (a) contains from 0.5 to 40% by weight of at least one metal from at least one of group V, VI and VIII (iron group) expressed as oxides.

Dessins