La présente invention concerne le craquage catalytique de charges d'hydrocarbures. Elle a plus particulièrement pour objet des perfectionnements apportés à la séparation des effluents de la réaction de craquage et du catalyseur usé.
On sait que, dans les procédés dits de craquage catalytique (en Anglais Fluid Catalytic Cracking ou encore procédé FCC), la charge d'hydrocarbures est vaporisée par mise en contact à haute température avec un catalyseur de craquage approprié, maintenu en suspension. Après que l'on ait atteint par craquage des hydrocarbures la gamme de poids moléculaires désirée, avec un abaissement correspondant des points d'ébullition, le catalyseur est rapidement séparé des produits plus légers obtenus; il est ensuite régénéré par combustion du coke déposé à sa surface lors de la réaction, puis renvoyé avec la charge d'hydrocarbures dans la zone réactionnelle.
Dans la pratique, le catalyseur régénéré (à une température généralement supérieure à 600°C) et la charge à traiter sont mis en contact en continu dans un réacteur tubulaire vertical ou incliné. Ce dernier, lorsqu'il fonctionne en mode ascendant, est souvent désigné par les spécialistes par le terme anglais de "riser", et désigné par le terme "dropper" lorsqu'il fonctionne en mode descendant. La charge, préchauffée habituellement à une température de 80 à 400°C et injectée à une pression comprise entre 0,7.10⁵ et 3,5.10⁵ Pascals relatifs, se vaporise, puis craque au contact des sites actifs du catalyseur, tout en assurant le transport pneumatique des grains de celui-ci, dont la taille moyenne souhaitée est d'environ 70 µm. Après un temps de contact de l'ordre de 0,1 à 10 secondes, les vapeurs d'hydrocarbures, à une température de l'ordre de 475 à 575°C, sont séparées du catalyseur usé à l'aide d'un séparateur balistique disposé à la sortie du réacteur tubulaire. Ce séparateur est situé dans une zone en haut de laquelle montent les vapeurs d'hydrocarbures qui, après récupération des fines de catalyseur par un cyclone, sont envoyées vers le dispositif de fractionnement. Les grains de catalyseur tombent par gravité en bas de cette zone dans un milieu en lit fluidisé dense où, afin d'être complètement séparés des hydrocarbures encore présents dans les pores, ils sont strippés à la vapeur. Les grains de catalyseur strippés sont ensuite évacués vers un régénérateur, dans lequel l'activité catalytique est restaurée par combustion du coke déposé au cours de la réaction de craquage.
Lors de la régénération, la chaleur de combustion se répartit entre le catalyseur (environ 70%) et les fumées de régénération. Le catalyseur régénéré est recyclé vers la zone réactionnelle, où la fraction de la chaleur de combustion du coke transmise au catalyseur dans le régénérateur est utilisée pour vaporiser la charge, fournir la chaleur de réaction (endothermique) et compenser les diverses pertes thermiques, en assurant ainsi l'équilibre thermique de l'unité. La durée d'un cycle moyen, pour le catalyseur, est d'environ 15 minutes.
Le procédé FCC est donc mis en oeuvre de façon telle que l'unité de craquage soit en équilibre thermique, toute la chaleur nécessaire étant apportée par la combustion du coke déposé au cours de la réaction de craquage sur les grains de catalyseur. Le couple "température de préchauffage de la charge-circulation du catalyseur régénéré" est ainsi ajusté de façon à obtenir la température de réaction désirée dans toute la zone réactionnelle et, en particulier, en sortie du réacteur.
La quantité de coke déposée sur le catalyseur est donc une variable fondamentale de la réaction, puisqu'elle contribue à l'apport de chaleur nécessaire au craquage des hydrocarbures. Cependant, il arrive bien souvent que la quantité de coke qui se dépose sur les grains de catalyseur, pendant la réaction, soit supérieure à celle qui est nécessaire pour assurer l'équilibre thermique de l'unité:
Cet excès de coke envoyé dans le régénérateur est dû, au moins en partie, au fait que des quantités non négligeables de résidus hydrocarbonés (dont la teneur en hydrogène peut être comprise entre 5 et 10% en poids) ne peuvent être séparées des grains de catalyseur par les moyens habituels de séparation. Ceci conduit à une température de régénération trop élevée, qui est nuisible au bon fonctionnement de l'unité, au détriment de la quantité de produits valorisables récupérés dans la zone de fractionnement.
Les développements les plus récents, dans le domaine du craquage catalytique, ont visé jusqu'à présent à remédier aux inconvénients précédemment cités:
La présente invention a pour but d'améliorer de façon substantielle la qualité de la séparation des effluents de la réaction de craquage et celle du strippage du catalyseur, de façon à limiter les pertes en résidus hydrocarbonés et à régénérer du catalyseur usé ne contenant sensiblement que le coke nécessaire pour assurer l'équilibre thermique de l'unité.
En effet, dans les enceintes de séparation des effluents et de strippage du catalyseur usé utilisées jusqu'à présent, on distingue deux zones distinctes. Dans une première zone, ou zone de désengagement, un dispositif balistique de type connu en soi (voir par exemple les brevets américains 2420558, 4057397, 4478708, ou les brevets français 2574422 et 2576906) permet d'orienter les grains de catalyseur vers le bas, tandis que les vapeurs d'hydrocarbures remontent vers le haut et sont, après séparation des fines à l'aide d'un système cyclonique, envoyées vers la zone de fractionnement. Cette opération, qui s'effectue le plus souvent en phase fluidisée diluée, assure une séparation à la fois rapide et efficace entre une partie importante des vapeurs d'hydrocarbures et des grains de catalyseur. Dans une seconde zone s'opère en phase fluidisée dense, au-dessous de la zone de séparation balistique que l'on vient de mentionner, une opération de strippage, au cours de laquelle le déplacement et la récupération des hydrocarbures gazeux entraînés dans la suspension de catalyseur sont assurés par un lavage à contre-courant au moyen d'un fluide gazeux tel que la vapeur d'eau. Il est nécessaire que la mise en contact soit efficace et que tout rétromélange soit minimisé. Généralement, le strippage proprement dit s'opère en phase dense, dans une enceinte généralement caractérisée par un rapport hauteur sur diamètre élevé. Cette enceinte est souvent munie de chicanes internes, pour favoriser le contact de la suspension de catalyseur avec le fluide de strippage.
Dans cette seconde zone, la désorption des hydrocarbures les plus lourds piègés sur le catalyseur est favorisée par le maintien d'une pression partielle des hydrocarbures en phase vapeur aussi faible que possible par rapport à leur pression de bulle, donc par une température élevée et une pression faible. L'utilisation de fluides de strippage très polaires, tels que la vapeur d'eau, plus fortement absorbés que les hydrocarbures, tend à favoriser la désorption des hydrocarbures.
La réaction de strippage, soit par désorption, soit par déplacement des hydrocarbures entraînés, est relativement rapide. Il est donc inutile de vouloir rechercher une meilleure efficacité de strippage en prolongeant le temps de contact avec le fluide de strippage, car durant l'opération de strippage, les conditions sont également propices à des réactions de cokéfaction des hydrocarbures lourds, avec production d'hydrogène et de méthane notamment; le résultat net est alors une diminution de l'hydrogène dans le coke résiduel restant sur le catalyseur usé, au profit de la production de gaz légers.
Dans le cadre de ses travaux sur le craquage catalytique, la Demanderesse a établi que la récupération des effluents hydrocarbonés de la réaction de craquage peut être considérablement améliorée en pratiquant, entre les deux zones précédemment décrites, un mélange des grains de catalyseur usé en provenance de la zone de séparation balistique, avec des grains de catalyseur régénéré ou partiellement régénéré, ayant une température supérieure à celle des grains de catalyseur usé.
On a déjà proposé (voir US-A-3886090) de recycler du catalyseur chaud régénéré à l'intérieur même de la zone de strippage du catalyseur usé, mais l'injection n'a pas pour but d'améliorer le strippage et ne permet pas d'augmenter de façon sensible la température du lit fluidisé dense au voisinage de l'interface entre celui-ci et la phase fluidisée diluée disposée au dessus.
De même, EP-A-137998 enseigne l'utilisation d'une seconde chambre de strippage dans laquelle le catalyseur usé est mélangé avec le catalyseur régénéré chaud en vue de vaporiser les hydrocarbures lourds éventuellement présents sur le catalyseur usé. La récupération des effluents en est améliorée, mais il est nécessaire d'utiliser deux chambres de strippage. Par ailleurs, selon EP-A-137998, le catalyseur régénéré chaud est injecté au bas de la zone de strippage du catalyseur usé.
La présente invention vise à remédier à cet inconvénient et elle a donc pour objet un procédé pour le craquage catalytique à l'état fluide d'une charge d'hydrocarbures, comprenant une étape de mise en contact à flux ascendant ou descendant de ladite charge et de grains d'un catalyseur de craquage dans un réacteur tubulaire, une étape de séparation balistique du catalyseur usé et de la charge craquée, en aval de l'extrémité dudit réacteur, une étape de strippage en phase fluidisée dense du catalyseur usé ainsi séparé, à l'aide d'un fluide injecté à contre-courant de ce catalyseur, une étape de régénération dudit catalyseur dans des conditions de combustion du coke déposé sur celui-ci, et une étape de recyclage du catalyseur régénéré à l'alimentation dudit réacteur, caractérisé en ce que, entre ladite étape de séparation balistique et ladite étape de strippage, on disperse de façon sensiblement homogène des grains de catalyseur au moins partiellement régénéré, ayant une température supérieure à celle du catalyseur usé, au-dessus de la phase fluidisée dense, suivant sensiblement toute la section horizontale de la phase fluidisée diluée située au-dessus de cette phase fluidisée dense.
Les grains de catalyseur chaud en provenance de la zone de régénération sont avantageusement mélangés en quantité et à une température telles que la température locale du mélange résultant de cette dispersion subisse une élévation de 10 à 150°C et, de préférence, de 20 à 70°C.
Ce mélange ou recycle de catalyseur, chaud et au moins partiellement régénéré, sera de préférence lui-même préalablement strippé, pour éliminer la présence de composés inertes due à des entraînements de gaz de régénération, de façon à éviter une surcharge inutile du compresseur de gaz craqués.
La quantité de catalyseur ainsi recyclée sera donc fonction de la différence de température entre les grains de catalyseur provenant de la zone de régénération et ceux du catalyseur usé. Suivant le type de régénération utilisé dans l'unité de craquage, le catalyseur recyclé pourra avantageusement soit être complètement régénéré, au même titre que le catalyseur alimentant la zone réactionnelle, soit n'être que partiellement régénéré et, dans ce cas, le catalyseur recyclé conformément à la présente invention pourra être prélevé en divers points de la zone de régénération et, en particulier, dans la première chambre de régénération, si l'unité possède plusieurs chambres successives de régénération du catalyseur usé.
Selon la configuration de l'unité, le recycle des grains de catalyseur chaud et au moins partiellement régénéré s'opérera:
Le recycle de grains de catalyseur est pratiqué de préférence au voisinage immédiat de la surface du lit fluidisé dense de la zone de strippage.
L'invention concerne également un dispositif de craquage catalytique d'une charge d'hydrocarbures, comprenant une colonne de craquage à flux ascendant ou descendant, des moyens d'alimentation de l'extrémité amont de ladite colonne en grains de catalyseur régénéré, des moyens pour introduire dans ladite colonne une charge d'hydrocarbures, un moyen de séparation balistique des produits de la charge craquée et des grains de catalyseur usé, un moyen de strippage en phase fluidisée dense de catalyseur usé, par au moins un fluide, des grains de catalyseur usé, au moins une unité de régénération dudit catalyseur par combustion du coke déposé sur celui-ci, et des moyens de recyclage du catalyseur régénéré à l'alimentation de ladite colonne, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte, entre ledit moyen de séparation balistique et ledit moyen de strippage, au moins un moyen pour la distribution, de façon sensiblement homogène, de grains de catalyseur au moins partiellement régénéré, ayant une température supérieure à celle des grains de catalyseur usé, au dessus de la phase fluidisée dense, suivant sensiblement toute la section horizontale de la phase fluidisée diluée, située au-dessus de cette phase fluidisée dense.
Ce moyen d'introduction et de dispersion du catalyseur régénéré chaud sera disposé de façon telle que le mélange avec le catalyseur usé s'effectuera au voisinage immédiat de la surface du lit fluidisé dense de la zone de strippage.
Lorsque l'enceinte de strippage sera du type muni de chicanes internes et possédant un rapport hauteur sur diamètre élevé, l'introduction du catalyseur chaud et au moins partiellement régénéré pourra être réalisée, de façon simple et de manière connue en soi, par déversement dudit catalyseur immédiatement au-dessus de la surface du lit dense. Ce type d'enceinte de strippage favorise en effet une homogénéisation immédiate des grains de catalyseur à la partie supérieure du lit.
Dans tous les cas, cependant, les grains de catalyseur chaud et au moins partiellement régénéré seront donc dispersés de façon homogène suivant toute la section horizontale de la phase fluidisée diluée, située immédiatement au-dessus de la surface du lit fluidisé dense de la zone de strippage, de manière que les hydrocarbures vaporisés lors de cette dispersion soient immédiatement déplacés par la vapeur d'eau ascendante. Il va de soi qu'une telle vaporisation des hydrocarbures demeurant à la surface des grains de catalyseur sera d'autant meilleure que le dispositif balistique situé au-dessus de la sortie de la zone réactionnelle assurera lui-même une bonne dispersion homogène des grains de catalyseur suivant toute la section de l'enceinte.
L'invention présente de nombreux avantages par rapport aux systèmes connus de strippage du catalyseur utilisés habituellement dans les procédés de craquage catalytique de charges d'hydrocarbures. En effet:
Les dessins annexés illustrent de façon schématique diverses formes de mise en oeuvre de l'invention. Sur ces dessins:
Sur la figure 1, on voit la partie supérieure d'une colonne 1 de craquage à flux ascendant, débouchant dans une enceinte 2 qui lui est concentrique, en regard d'un séparateur balistique 3 favorisant le désengagement, la dispersion homogène suivant toute la section de l'enceinte 2 et la chute par gravité des grains de catalyseur usé. Les produits du craquage passent dans un cyclone 4, où ils sont séparés des dernières particules de catalyseur, et ils sont ensuite évacués par une ligne 5 vers une zone de fractionnement. Les particules de catalyseur usé se rassemblent par gravité à la base de l'enceinte 2, où un fluide de strippage tel que la vapeur d'eau est introduit à contre-courant par le diffuseur 6 tout en formant un lit fluidisé dense de catalyseur. Le catalyseur strippé est ensuite évacué par le conduit 9 à la base de l'enceinte 2, vers le dispositif de régénération, non représenté.
Conformément à l'invention, une fraction du catalyseur provenant de la zone de régénération, et dont la température est supérieure à celle des grains de catalyseur usé, est introduite par la ligne 10 dans le lit fluidisé dilué et est dispersée de façon sensiblement homogène.
A cet effet, dans le cas de la réalisation représentée sur la figure 1, la conduite inclinée 10 se prolonge à son extrémité aval par une partie 11 incurvée vers le haut, qui assure par gravité la distribution homogène du catalyseur suivant toute la section horizontale de l'enceinte 2, immédiatement au-dessus de la surface 8 du lit fluidisé dense 7.
La température, à la sortie de la colonne 1 et dans la partie supérieure de l'enceinte 2, sera, par exemple, comprise entre 480 et 550°C, de sorte qu'en injectant en quantité suffisante du catalyseur régénéré à une température comprise entre 650 et 850°C, il sera possible d'élever la température du catalyseur en phase fluidisée dense entre 550 et 650°C.
A titre de variante et afin d'assurer l'homogénéité de la dispersion du catalyseur recyclé, la partie incurvée 11 prolongeant la conduite 10 pourra comprendre deux branches séparées par un intervalle orienté vers la colonne 1, de façon à projeter deux jets de catalyseur de part et d'autre de cette colonne.
Sur les figures 2 et 3, qui représentent des variantes de mise en oeuvre de l'invention dans le cas d'une colonne de craquage montante, ou "riser", les organes déjà décrits en référence à la figure 1, sont désignés par les mêmes chiffres de référence.
Dans la forme de réalisation de la figure 2, le catalyseur recyclé n'est plus distribué par gravité dans l'enceinte 2, mais est acheminé par un fluide porteur tel que de la vapeur d'eau, un hydrocarbure léger ou un mélange des deux. Dans cette réalisation, la conduite 14 d'amenée de catalyseur est une conduite ascendante débouchant latéralement dans l'enceinte 2 et se prolongeant à sa partie supérieure par une partie 15 incurvée, qui forme déflecteur pour les particules de catalyseur, de façon à permettre une dispersion homogène dans la phase fluidisée diluée située immédiatement au-dessus de la surface 8 du lit de strippage 7.
Dans la variante de la figure 3, le catalyseur recyclé est à nouveau acheminé dans l'enceinte 2 par un fluide porteur circulant dans une conduite ascendante 14, mais cette conduite débouche au centre de l'enceinte dans un distributeur annulaire 16, entourant la colonne 1, qui distribue le catalyseur par des ouvertures latérales 17.
L'invention s'applique également aux dispositifs à colonne de craquage descendante ou "dropper", comme le représente la figure 4.
Dans ce cas, la colonne 18 débouche dans l'enceinte 19 à l'aplomb d'un déflecteur 20, qui distribue le catalyseur usé dans l'enceinte, tout en assurant le dégagement des hydrocarbures: comme précédemment, les vapeurs d'hydrocarbures passent dans un cyclone 21 et sont évacuées par la ligne 22, tandis que les grains de catalyseur se rassemblent au fond de l'enceinte. Ils y sont maintenus en lit fluidisé dense 23 et strippés par de la vapeur d'eau injectée en 24, avant d'être évacués par la conduite 25 vers le régénérateur. Le catalyseur de recycle est introduit dans l'enceinte 19 par une conduite inclinée 26, qui débouche à l'aplomb d'un distributeur 27, ici disposé au centre de l'enceinte 19, au-dessous du déflecteur 20.
Dans toutes ses formes de mise en oeuvre, l'invention utilise donc des moyens simples, permettant d'améliorer sensiblement la séparation des produits de craquage et du catalyseur usé, ainsi que la qualité du strippage.