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Procédé et dispositif perfectionnés pour le transport' et la circulation de matières solides granulaires.
La présente invention concerne un procédé et un dispo- sitif perfectionnés pour le transport et la circulation de ma- tières solides granulaires de grosseur de grain discrète.
Les caractéristiques nouvelles de l'invention offrent une importance particulière dans es systèmes de transformation d'hydrocarbures, notamment des systèmes où un catalyseur gra- nulaire solide d'une grosseur de grain relativement grande est déplacé en un cycle continu entre une zone de réaction et une zone de régénération.
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L'invention peut être appliquée avantageusement dans différents procédés de transformation d'hydrocarbures faisant usage d'un tel catalyseur granulaire solide, par exemple frac- tionnement, déshydrogénation, aromatisation, rectification et analogues. Dans ces procédés de transformation d'hydrocarbures et dans les procédés analogues, il s'accumule sur le catalyseur, à la suite des réactions qui se produisent pendant le contact avec la charge d'hydrocarbures, un corps de contamination car- boné ou hydrocarboné appelé "coke", qui se forme en tant que sous-produit de telles réactions, d'où diminution de l'activi- té du catalyseur. Par conséquent, on soumet généralement et périodiquement le catalyseur usé à une régénération par la com- bustion du coke déposé, dans l'air ou autre gaz contenant de l'oxygène.
Dans les systèmes dans lesquels le catalyseur est employé sous la forme d'un lit fixe, la régénération est ef- fectuée en détournant le courant d'hydrocarbures de ce lit après un temps de fonctionnement déterminé et en mettant ce lit en contact avec le gaz régénérateur. Dans d'autres systè- mes connus, le catalyseur est transporté de la zone ou vase de réaction, dans lequel l'opération de transformation de 1(hydro- carbure a lieu, vers une étuve ou une zone de régénération séparée, où a lieu la combustion du coke, le catalyseur régé- néré étant finalement ramené vers la réaction principale pour y être utilisé.
La présente invention concerne ce dernier type de fonctionnement, qui fait usage de catalyseur en mouvement.
Plusieurs méthodes sont actuellement en usage dans l'industrie pour le transport du catalyseur lors de son cycle de déplacement entre les zones de réaction et de régénération.
Comme, d'une façon générale, le catalyseur doit être transporté au cours du cycle d'opérations d'un niveau inférieur vers un
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niveau supérieur, il convient de prévoir des moyens pour assu- rer cette élévation. Dans certaines installations connues et d'un emploi étendu , il est fait usage de transporteurs méca- niques, tels que des élévateurs à godets,tandis que dans d'au- tres systèmes, par exemple ceux qui utilisent un catalyseur très finement divisé ou pulvérisé, la matière peut être aisé- ment "fluidifiée" par une dispersion relativement homogène dans un véhicule gazeux, et est manipulée dans cet état "flui- difié".
La "fluidification" désigne la caractéristique présen- tée par des solides finement divisés et qui, lorsqu'ils sont suspendus dans un courant gazeux ascendant animé d'une vitesse relativement faible,forment un lit agité continu à un niveau relativement bien défini, lit qui ressemble à un liquide en ébullition et qui présente des propriétés d'écoulement sembla- bles aux liquides ordinaires. Des granules grossières n'ont pas plu être fluidifiées de cette manière.
On a proposé d'em- ployer des dispositifs pneumatiques pour l'élévation et le transport en masse de catalyseurs à gros grain par exemple en granules ou pastilles, sans que les dispositifs proposés aient pu arriver à un fonctionnement favorable au point de vue indus- triel à ce jour, cela en raison de difficultés propres à la manipulation de ces matières à gros grain par des méthodes es- sayées, ainsi que par suite de l'érosion du matériel qui en résulte et/ou du fait de grandes pertes de catalyseur dues à l'usure.
Les raisons pour lesquelles les méthodes établies et adoptées pour la manipulation de matières solides plus finement divisées ou pulvérisées, ne sont pas directement applicables aux granules de grosseur relativement plus grande, résident non seulement dans la différence de finesse même, mais sont aussi déterminées par certaines différences fondamentales dans les propriétés et le comportement des deux matières, en présence
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de courants gazeux. Ces différences proviennent des dissem- blances dans la dynamique de particules individuelles en fonc- tion de la grosseur de grain ainsi que des différences dans le comportement de la masse globale de telles particules. Pour la compréhension de la présente invention, on notera et l'on fera ressortir ci-après quelques-unes des caractéristiques de tels systèmes fluide-solide.
La dynamique de/systèmes composés de particules de ma- tière solide et d'un fluide a été étudiée d'une manière plus approfondie au cours de dernières années, et l'on a pu mettre en évidence certaines propriétés de tels systèmes. Bien que l'on ait fait des observations importantes, celles-ci n'ont pas été coordonnées et expliquées pleinement d'une façon satis- faisante. On peut prouver formellement par la mathématique et démontrer expérimentalement que le comportement d'une parti- cule est influencé incontestablement par le trajet libre moyen qui lui est offert dans le milieu fluide, et qui est déterminé dans la plus grande mesure par la grosseur des particules et la concentration de la matière solide.
Ainsi, on a démontré qu'avec des systèmes gaz-solide comportant des fines particules, et notamment lorsque celles-ci offrent une diversité de grosseur, on peut obtenir une fluidification régulière par une admission contrôlée de gaz à ces particules à des vitesses relativement peu élevées, tandis que dans le cas de particules plus grandes, comme celles de l'ordre correspondant à un tamis de 60 mailles (standard américain), le gaz passe aisément à travers le lit à ces mêmes vitesses, sans déranger notablement les particules du lit et que, à mesure que la vitesse du gaz augmente au-delà de celle pour laquelle le lit reste stationnaire, on obtient, au lieu d'une dispersion des particules dans le gaz, seulement une rupture désordonnée de la continuité et un rebondissement de parties distinctes du lit, qui se déplacent par à-coup,
ce que
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l'on nomme "le cognement".
Il a été parfaitement reconnu que la réduction des di- mensions linéaires d'une particule a pour effet une augmenta- tion considérable de la surface libre globale, la surface totale de la masse subdivisée obtenue augmentant approximativement en raison directe de la réduction des dimensions linéaires de la particule initiale.
Comme le degré de subdivision considéré produit des par- ticules d'une dimension qui atteint ou se rapproche des dimen- sions colloïdales, une telle augmentation de la surface par unité de masse (surfaces spécifiques) met en jeu certaines influences d'énergie dont les surfaces sont le siège, ce qui affecte d'une manière significative le comportement d'un en- semble de telles particules en tant que masse globale ou sa suspension dans un fluide.
Il apparait maintenant que, à un degré de subdivision considérablement inférieur au degré colloïdal, ces propriétés @ de matières, dues à une surface spécifique élevée peuvent exer- cer des influences importantes. On possède de nombreuses preu- ves que certaines forces résiduelles entre particules, présentes dans des systèmes qui ne sont pas susceptibles de fluidifica- tion régulière, sont nettement absentes des systèmes suscepti- bles de fluidification régulière.
La différence dans le comportement de particules solides de différents ordres de grandeurs peut être jugée théoriquement en partant d'autres considérations et être démontée autrement d'une manière simple. Conformément à la loi de Stokes, pour une matière solide d'une composition donnée, les autres facteurs étant constants, la vitesse finale ou maximum atteinte par une particule en chute libfe dans un fluide tranquille varie avec le carré du rayon des particules. Cette vitesse maximum ou final:
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représente la vitesse du gaz, nécessaire pour soutenir une par- ticule individuelle du solide, sans lui permettre de tomber ni de s'élever, et correspond à la "vitesse de support de par- ticules".
Bien que l'on ne prétende pas que les valeurs calcu- lées d'après la formule de Stokes soient quantitativement re- présentatives pour les systèmes solide-fluide du type consi- déré, on voit aisément, à titre de mesure qualitative approxi- mative, qu'une différence de un à dix dans les grosseurs de particules implique une différence,dans la vitesse de support, de l'ordre de un à cent ; or, les différences de cet ordre ont été observées. A mesure que la subdivision des particules est poussée davantage, on atteint des ordres de grandeur où les espaces entre particules sont relativement minimes, de sorte que le gaz se trouve emprisonné et ne peut traverser l'ensemble de la masse qu'en déplaçant les particules.
Ceci peut être at- tribué pour une grande part à la durée d'apaisement relative- ment longue de particules finement divisées formant une masse, avant qu'elle n'atteigne le stade d'un lit à niveau stable.
Dans le cas des particules de grosseur importante et discrète, par exemple de l'ordre de 1 mm. et plus, la stabilisation du lit ne demande pas un temps appréciable. Etant donné ces proprié tés fondamentales caractéristiques pour les matières solides pul vérisées et finement divisées, celles-ci peuvent être aisément fluidifiées aux vitesses de gaz modérées et, une fois la flui- dification accomplie, les dispersions obtenues peuvent être manipulées comme des liquides ordinaires en ce qui concerne leur caractéristiques d'écoulement.
D'autre part, et même si cela n'est peut-être pas impossible théoriquement, la transforma- tion de ces particules de grosseur relativement importante en une masse fluidifiée en vue de permettre leur manipulation comme fluides ne peut pas être effectuée pratiquement par les procédés connus, et de telles particules de grosseur importante nepeuvent
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pas être manipulées par des méthodes prévues pour la manipu- lation de particules plus finement divisées.
Par conséquent, un des objectifs importants de la pré- sente invention réside dans la prévision d'un dispositif et d'un procédé efficaces pour la manipulation de telles matiè- res solides granulaires à grosseur de grain relativement im- portante, à l'état non fluidifié. L'invention concerne prin- ' cipalement l'élévation, par un milieu gazeux, de telles ma- tières granulaires employées comme catalyseur, ou autres ma- tières de contact dans les procédés de transformation d'hy- drocarbures.
Grâce aux caractéristiques nouvelles de l'inven- tion, un catalyseur granulaire à grosseur de grain discrète, comme défini plus haut, est élevé efficacement par des fluides de transport gazeux au cours d'un processus régulier et dans des conditions d'écoulement uniformes voulues, tout en per- mettant des vitesses d'écoulement relativement élevées du catalyseur. De plus, ceci s'effectue sans donner lieu à une usure rapide du catalyseur et avec un minimum d'érosion du matériel.
Les matières solides auxquelles l'invention se rapporte sont celles à grosseur de particule moyenne de l'ordre passant par un tamis de 14 mailles (standard américaine, et plus, et comprenant des grosses granules de cette grandeur, ainsi que les globules commerciales typiques et pastilles moulées de 2 à 5 mm. et plus. L'invention concerne en outre des ma- tières d'une certaine densité, celles qui ont une densité apparente globale d'au moins 20 lbs par foot cubique, à l'état non spécialement tassé.
Les particules de l'ordre de grandeur et de densité sus-indiqué se distinguent en outre par la propriété de découler librement à l'état de masse non fluidifiée,lorsqu'elles sont déchargées d'un réservoir ou tré- mie, contrairement aux matières pulvérisées légères ou plus fi
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nement divisées qui, notamment lorsqu'elles présentene grande diversité de grosseurs de grain, tendant à s'agglomérer et à se tasser et ne s'écoutent pas librement à moins d'être amenées à l'état fluidifié et tre manipulées comme des liquides en mouvement.
Les difficultés inhérentes à la manipulation et au transport pneumatique de matières solides relativement lourdes et de grande grosseur de grain, comme celle de l'ordre préci- té, sont surmontées, conformément à la présente invention, grâce à la manière particulière prévue pour assurer la mise en contact de telles matièressolides avec un véhicule gazeux d'élévation et de transport, et au contrôle .et la coordina- tion des conditions dans lesquelles s'effectue l'élévation pneumatique de ces matières, y compris notamment la vitesse du courant gazeux transporteur, la concentration des matiè- res solides dans ce courant et les pressions qui règnent dans l'ensemble du système . Ces facteurs doivent être maintenus dans des limites parfaitement définies, comme il sera exposé plus clairement ci-après.
Grâce aux conditions contrôlées et coordonnées créées par l'invention, la masse des particules est élevée et est amenée à progresser régulièrement, comme un courant relativement concentré, en un écoulement sensiblement rectiligne exempt de remous et de turbulence dans les parti- cules.
Conformément à un aspect de l'invention, lorsque celle-ci est appliquée à l'élévation d'un catalyseur ou d'une autre matière de contact, la chute de pression qui se produit lors de l'élévation de la matière est cooronnée avec celle qui règne lors du passage de la matière à travers la partie restan- te du système, où la matière solide se déplace ou est déplacée à travers une zone de réaction ou une zone de régénération, ou les deux, sous la forme d'un lit dense, compact et non turbu-
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lent. Dans le mode d'exécution préféré, et sauf en ce qui con- cerne l'élévation de la matière solde par le courant gazeux, l'écoulement de celle-ci dans les autres parties de son cir- cuit s'effectue par grqvité.
Un avantage particulièrement important de l'invention, en ce qui concerne son application aux procédés de transforma- tion catalytique d'hydrocarbures, résulte des vitesses de cir- relativement culation/élevées de la masse de catalyseur, qui peuvent y être appliquées, permettant ainsi une marche efficace et économique de tels procédés avec les rapports catalyseurs-huile élevés voulus .
Le rôle des caractéristiques nouvelles de l'invention et les autres avantages de celle-ci ressortiront de la descrip- tion ci-après considérée en rapport avec les dessins annexés qui en représentent une réalisation pratique, appliquée à un système de transformation catalytique d'hydrocarbures.
Dans les dessins annexés, la figure 1 est une vue d'élévation schématique d'un mode d'exécution d'un système comportant la présente invention (certaines parties étant bri- sées et rèprésentées en coupe).
La figure 2 est un schéma de circuit d'une variante.
Les figures 3 à 5 sont des vues à plus grande échelle de la partie "élévation" de la figure 2.
Dans la disposition selon la figure 1, un vase de réadtion est superposé à une étuve 2, ce¯.qui permet un écoule- ment libre du catalyseur entre ces deux capacités à travers un conduit de communication 3. Tant dans le vase de réaction 1 que dans l'étuve 2, le catalyseur descend par gravité sous la forme d'un lit solide et compact. Dans le mode de fonctionnement classique, le lit de catalyseur contenu dans le vase 1 est mis en contact avec les hydrocarbures à fractionner ou à transfor- mer d'une autre manière, par le passage de ces hydrocarbures à travers le vase de réaction en équi-courant ou en contre-
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courant par rapport au lit de catalyseur qui se déplace de haut en bas.
Dans le mode d'exécution de la figure 1, les hydrocarbures, se trouvant par exemple à l'état vaporisé, sont introduits par une conduite 4, tandis que les produits de transformation sous forme de vapeurs sont évanués du vase 1 par la conduite 5, qui communiquer comme il est connu en soi, avec un système de condensation et de distillation (non représenté). De la vapeur d'eau pour le traitement ou du gaz ad formant joint peuvent être Anis au niveau supérieur du vase 1 par une conduite 6. Au-dessous du niveau d'évacuation des va- peurs d'hydrocarbures, du vase 1, on prévoit des moyens pour débarrasser le catalyseur descendant des produits vaporeux adhérents, par exemple par admission d'un gaz purificateur tel que la vapeur d'eau ou un gaz inerte par la conduite 7.
Le catalyseur ainsi purifié, déchargé du vase 1, pas-= par gravité à travers le conduit 3 dans l'étuve 2, où il est mis en contact avec un gaz contenant de l'oxygène, en vue de régénérer le catalyseur par la combustion du coke formé dans celui-ci lors de son utilisation dans la réaction de transformation d'hydrocarbures qui a été effectuée précédem- ment dans le vase 1. Dans l'étuve, l'admission du gaz frais contenant de l'oxygène et l'évacuation des produits de la combustion peuvent s'effectuer à plusieurs niveaux, consti- tuant ainsi une série de phases de régénération, des moyens de refroidissement étant prévus pour éviter des températures excessives dans l'étuve. On peut tout aussi bien utiliser des étuves d'autres types.
Dans le cas représenté dans la figure 1, on a prévu une seule zone pour l'admission de gaz régénérateur, lequel pénètre par la conduite 8, les gas brû- lés évant évacués par la conduite 9. Au-dessus de la zone de combustion de l'étuve, on a prévu un évent de contrôle par soupape de décompression automatique 10, qui maintient la
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pression à ce niveau à une valeur légèrement supérieure à celle de la conduite d'échappement de gaz brûles 9, afin d'empêcher plus efficacement l'entrée de ces gaz dans le conduit 3.
Le catalyseur régénéré déchargé de l'étude 2 s'écoule par gravité à travers un tube 11 vers une chambre de trans- fert 12 dans laquelle il forme un lit enfermé, ce cataly- seur remplissant la chambre 12 ou formant dans celle-ci un angle de talus statique normal comme représenté notamment en 13 (fig.3). Un tuyau d'élévation 14 part d'un point situé au-dessous du niveau supérieur du lit de catalyseur dans la chambre de transfert 12. Le catalyseur faisant partie du lit contenu dans cette chambre est refoulé dans ce tuyau à l'aide d'un courant de gaz dirigé à travers le lit à l'aide d'une conduite 15 et d'un ajutage 16.
Le point de décharge ou débouché du tuyau d'éléva- tion se trouve à une certaine hauteur au-dessus du vase de réaction 12 Ainsi, et comme montré dans le dessin, le tuyau d'élévation 14 décharge vers une chambre de dégagement 17 dont le gaz d'élévation est évacué par un tuyau supérieur 18, tandis que le catalyseur solide libéré de l'influence du gaz élévateur retombe par gravité pour former un lit soutenu par le fond de la chambre de dégagement 17. Partant de ce lit, le catalyseur revient à la partie supérieur du vase 1, vers lequel il s'écoule par gravité à travers un conduit 19, qui agit également comme support creux étanche. On prévoit des moyens pour séparer les fines particules d'avec le gaz dégagé, par exemple sous la forme d'un séparateur dit "cyclone" dé- signé par 20 et qui communique avec le tuyau de décharge su- périeur 18.
L'entrée de vapeurs d'hydrocarbures du vase 1 dans le conduit 19 est empêchée par l'introduction d'un gaz formant joint dans ce conduit, de préférence de la vapeur d'
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eau, qui pénètre dans le partie supérieure du vase 1 par le tuyau 6.
Au lieu de placer le vase de réaction au-dessus de l'étuve, comme montré dans la figure 1, on peut inverser cette disposition. En outre, le vase et l'étuve peuvent être situés côté à côte, avec prévision d'élévateurs pneumatiques distincts pour élever le catalyseur jusqu'à des zones d'alimentation si- tuées respectivement au-dessus des parties supérieures du vase de réaction et de l'étuve respectivement. Un schéma de circuit correspondant à cette dernière disposition est représenté dans la figure 2. La direction d'écoulement du catalyseur est indi- quée par les flèches. Le catalyseur déchargé du vase 1 passe dans une chambre de transfert 12a, d'où il est refoulé dans le tuyau d'élévateur 14a, pour parvenir dans la chambre de séparation 17a.
Le catalyseur s'écoule ensuite par gravité vers l'étuve 2 et à travers celui-ci, tandis que le cataly- seur régénéré est déchargé vers une chambre de transfert analogue 12b, d'où il est transporté à travers le tuyau élé- vateur 14b vers la chambre de dégagement 17b, et est déchargé de celle-ci pour revenir par gravité dans la partie supérieure (Eu vase 1.
On décrira maintenant plus particulièrement le sys- tème transporteur montré à plus grande échelle dans les figures 3 à 5. Le système représenté peut être utilisé avec n'importe quelle disposition, à savoir, vase de réaction, et étuve soit superposés soit côte à côte. On a indiqué plus haut que l'embouchure du tuyau élévateur pénètre jusqu'au-dessous du niveau supérieur du lit de catalyseur dans la chambre de trans- fert 12. Ceci est une particularité importante pour assurer des vitesses d'écoulement de catalyseur requises avec un mi- nimum de consommation de gaz, ainsi que le maintien d'un cou- de catalyseur rant concentré/se dirigeant de bas en haut à travers le tuayau
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élévateur.
La chambre de transfert 12 peut avoir n'importe quelle forme voulue, mais doit présenter une section trans- versale suffisante pour permettre l'écoulement voulu du cata- lyseur du conduit 11 vers la chambre de transfert 12, par la prévision d'un espace suffisant entre la périphérie du tuyau d'élévation 14 et la paroi de la chambre.
L'ajutage 16 est monté dans un organe fileté 21 de sorte que l'ajutage peut être relevé ou abaissé, ce qui permet de contrôler l'intervalle prévu en 22 entre l'embouchure du tuyau élévateur 14 et le débouché de l'ajutage 16. Le réglage de-cet intervalle fournit un moyen de contrôler la vitesse de circu- la tion du catalyseur à travers le système. On comprendra que la vitesse à laquelle le catalyseur est extrait de l'enceinte de traitement, que ce soit le vase de réaction ou l'étuve, à tra- vers le conduit 11, dépend de la vitesse à laquelle le cataly- seur est dirigé vers le tuyau élévateur par l'ajutage 16.
Le soutirage du catalyseur du lit contenu dans la chambre 12 per- met une nouvelle arrivée de catalyseur vers cette chambre, ce qui constitue un contrôle de la vitesse de déplacement:.du catalyseur dans les parties d'amont du système; les différents conduits 19,3 et 11 ne contiennent ni soupape d'étranglement ni autres éléments restrictifs. Il va de soi que la réserve de catalyseur disponible pour être introduite dans le conduit 11 doit être au moins égale à celle déterminée par la vitesse à la- quelle le catalyseur est extrait du lit par le courant gazeux.
Afin de maintenir un écoulement libre du catalyseur à travers le conduit 11, lapression dans ce conduit doit être contrôlée de façon à empêcher le gaz d'y monter dans une quanti- té suffisante pour gêner notablement le passage du catalyseur par ce conduit. Ceci peut être réalisé par exemple grâce à la prévision d'une branche d'étanchéité en communication avec le conduit 11, comme montré en 23, et dans laquelle on introduit
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un gaz formant joint à une vitesse déterminée à travers un tuyau 24 contrôlé par la soupape, maintenant aini la pression dans le conduit 11 à une valeur approximativement égale ou lé- gèrement supérieure à celle qui existe dans la chambre 12.
Comme il n'existe pas de différence de pression importante entre le débouché de 1?ajutage 16 et le débouché du conduit 11, toute la quantité de gaz introduite par cet ajutage 16 se diri- gera vers le haut dans le tuyau élévateur, en entrainant les particules de catalyseur qui se présentent sur son trajet dans l'intervalle entre l'ajutage et l'embouchure du tuyau éléva- teur. Il convient de noter que la relation entre l'ajutage et le tuyau élévateur est telle qu'elle détermine une force propulsive positive et directive, contrairement aux disposi- tions qui dépendent principalement de l'aspiration déterminée par les différences de hauteur correspondant à la vitesse, entre des points du trajet du courant de fluide.
L'introduction d'un gaz formant joint dans la btanche d'étanchéité 23 ne sera pas toujours nécessaire, vu que le système peut être disposé de manière que la pression dans la partie inférieure de l'enceinte de traitement qui communique avec la chambre de transfert 12 soit égale ou légèrement su- périeure à celle de cette chambre, auquel cas le gaz élévateur ne passera pas en dérivation de cette chambre dans le conduit.
Le mode d'exécution de la figure 1 peut fonctionner de cette manière. Par exemple, si la pression dans la partie inférieure de l'étuve à proximité de l'entrée de gaz régénérateur 8 est maintenue à une valeur d'environ 9 lbs. par inch carré et qu'il existe une chute de pression d'environ 1 lb. par in¯ch carré entre ce point et l'embouchure de l'élévateur , les con- ditions de fonctionnement peuvent être contrôlées de façon à obtenir la pression voulue d'environ 8 lbs par inch carré à l'embouchure du tuyau élévateur. Si l'on fait fonctionner
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le système élévateur de façon à obtenir une chute de pres- sion totale de 7 lbs par inch carré dans le tuyau élévateur 14 la pression dans la chambre de dégagement 17 sera légè- rement supérieure à la pression atmosphérique et sera par exemple de 1 lb par inch carré.
Les parties restantes du sys- tème peuvent être établies de façon à assurer un équilibre de pression. Ainsi, on peut introduire de la vapeur d'eau par le tuyau 6, pour maintenir la pression en ce point à 12 lbs. par inch carré, une partie de cette vapeur se diri- geant vers le haut dans la branche à joint constituée par le conduit 19, en direction de la cuve de dégagement 17. L'autre partie de la vapeur descend à travers le vase de réaction 1.
Les vapeurs d'hydrocarbures peuvent être introduites à travers le tuyau 4 de façon à déterminer une pression de 11 lbs. par inch carré, et être évacuées par le tuyau 5 à une pression d'environ 6 lbs. Le gaz de purification introduit à travers le tuyau 7 peut également agir comme gaz d'étanchéité et sera donc introduit à une pression légèrement supérieure, par exem- ple 6,5 lbs. Les gaz brûlés peuvent être évacués de l'étude 2 par le tuyau 9 à une pression de 9 lbs. par inch carré, de sorte que la vapeur pénétrant à travers le tuyau 7 s'écoule dans deux directions et est évacuée en partie avec les vapeurs d'hydrocarbures par le tuyau 5 et en partie par la soupape de décompression 10 qui, étant réglée pour fonctionner à une pression d'environ 6,3 lbs., empêche l'admission de vapeur vers la zone de combustion de l'étuve.
Lorsque le gaz employé n'est pas incompatible avec la réaction effectuée dans l'enceinte de traitement située le plus bas, qui communique avec le tube élévateur, la pression dans cette enceinte peut même être légèrement inférieure à celle de l'élévateur, de sorte qu'une faible quantité de gaz élévateur remonte avantageusement à travers le conduit 11, pour assurer
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l'équilibre de pression voulu. Cette quantité de gaz doit être maintenue suffisamment réduite,de façon à ne pas gêner ni empêcher dans une mesure importante l'écoulement continu et ininterrompu du catalyseur vers le bas à travers le tube 11.
Comme indiqué plus haut, le tube élévateur 14 ali- mente la chambre de dégagement 17, où le gaz élévateur se sé- pare du catalyseur. La paroi supérieure de la chambre de dé- gagement 17 doit être située à une hauteur suffisante au- dessus de l'ouverture de décharge du tube 14 de façon que le jet jaillissant de catalyseur ne vienne pas frapper violemment cette paroi, compte tenu de la réduction de la vitesse déter- minée par la différence des sections transversales du tube et élévateur 14/de la chambre 17. Le catalyseur séparé du gaz élévateur dans la chambre 17 retombe de façon à former un lit compact et dense, dont le catalyseur est soutiré par le tube 19, en se dirigeant par gravité vers l'enceinte de traitement voulue, qui peut être le vase de réaction ou l'étuve.
Les dimensions relatives des divers éléments du sys- tème élévateur présentent une importance considérable en vue du maintien des vitesses d'écoulement de catalyseur voulues et d'un transport régulier du catalyseur, exempt de "cogne- ment" et de remous. Par exemple, pour présenter la valeur requise, l'espace entre la périphérie du tube élévateur et la paroi latérale delà chambre de transfert doit avoir une largeur non inférieure au diamètre du tube élévateur. Lorsque ce dernier est situé au centre de la chambre 10, ce qui est préférable pour l'uniformité de la répartition, cette chambré aura une dimension latérale non inférieure, approximativement, à trois fois le diamètre de ce tube.
La configuration de la chambre 12 n'a que relativement peu d'importance, pourvu que l'on observe l'intervalle requis et que l'on maintienne une
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Profondeur de lit adéquate dans cette chambre. Le tube d'élé- vation doit pénétrer dans la chambre 12 jusqu'à u# profondeur telle que le lit de catalyseur contenu dans cette chambre par- vienne à au moins plusieurs inches au-dessus de l'embouchure de ce tube.
En ce qui concerne la chambre de dégagement 17, et à titre de règle empirique, la section transversale de cette chambre doit être légèrement supérieure à celle de la chambre de transfert. Une chambre de dégagement ayant une largeur approximativement égale à 5 ou 6 fois le diamètre du tube élévateur sera suffisante pour réaliser une souplesse de fonc- tionnement parfaite. En considérant la différence des sections du tube élévateur et de la chambre de dégagement d'une part, et les vitesses envisagées dans le système élévateur d'autre part, comme il sera indiqué dans la suite, la paroi supérieu- re de la chambre 17 sera en général suffisamment hors de l'at- teinte du catalyseur si elle se situe à 5 - 6 feet ou plus au-dessus du débouché du tube 14.
Le diamètre du tube élévateur proprement dit ainsi que le diamètre de l'ajutage à gaz 16 et le rapport entre eux seront déterminés en tenant compte de la quantité de cataly- seur à mettre en circulation et la chute de pression admissi- ble dans le tube élévateur en considérant les détails de la marche du traitement, comme il sera plus clairement exposé ci-après. De même, la longueur de l'intervalle 22 doit être également réglée ou mise au point en conséquence, pour assu- rer la vitesse de circulation de catalyseur élevée requise avec des vitesses d'écoulement de gaz les plus favorables vers le tube élévateur, cela du point de vue rendement et de la marche économique du procédé.
En établissant le projet d'un système de transforma- tion d'hydrocarbures, le nombre de différentes variables en
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rapport entre elles permet une grande élasticité dans le choix de la construction et dans le fonctionnement de la partie de traitement de l'appareillage, ainsi que des moyens de transfert et de transport qui en font partie. Dans l'établissement d'une construction particulière et dans le choix de ses conditions de fonctionnement, on ne peut pas ignorer les considérations économiques. Afin de simplifier la présentation des divers facteurs entrant en ligne de compte conformément à l'inven- tion, et dans un but d'analyse, il sera tenu compte plus par- ticulièrement des facteurs à considérer dans la conception du système transporteur destiné à une installation de transforma- tion d'hydrocarbures de construction déterminée.
Dès que la partie de traitement du système comprend un vase de réaction et une étuve de régénération dont la conception et le fonc- tionnement sont déjà déterminés, certaines restrictions se rapportant à la conception et à la construction de la partie de transport seront également résolues. Par exemple, la hau- teur minimum du tube élévateur sera aisément fixée en tenant compte de la hauteur de la partie de traitement du système, comprenant le vase de réaction et l'étuve de régénération et des trémies d'alimentation pour ces capacités. Là où le vase de réaction et l'étuve de régénération sont superposés, on constatera que, dans le cas d'une installation de capacité donnée quelconque, cette disposition demande une hauteur d'é- lévation plus grande que là où le vase et létuve sont dis - posés côte à côte.
Les proportions totales de catalyseur re- quises pour une opération de traitement donnée joueront éga- lement un rôle important dans le choix des dimensions du sys- tème d'élévation pneumatique et des quantités de gaz nécessai- res dans celui-ci. Bien que le facteur chute de pression, qui se présente dans les enceintes de réaction et de régénération du système ne soit pas directement déterminant et permette une latitude considérable en vue de la compensation ou de la coor-
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dination en dehors de L'appareillage d'élévation et organes connexes., l'ordre de grandeur d'une telle chute de pression exerce une influence mportante sur les rapports entre la partie de transport et la partie de traitement au système ce dont il convient de tenir compte.
Pour obtenir le fonction nement équilibré voulu, les différences de pression existan- tes peuvent être prises en considération lors de la concep- tion et du choix des conditions de fonctionnement appropriées dans le système d'élévation et/ou dans les tuyauteries d'ali- mentation et de transfert reliant les différentes parties de l'appareil de traitement, ainsi que dans les tuyaux de trans- fert prévus entre la partie de traitement de l'appareil et le système d'élévation proprement dit.
Les chutes de pression dans la partie de traitement du système peuvent également être variées pour n'importe quelle valeur de charge dhydro- carbures ou de gaz régénérateur voulue en choisissant la direction d'écoulement relative de tels fluides à travers le vase de réaction et l'étuve de régénération respective- ment et la manière d'admission de ces fluides dans ces capa- cités.
Les caractéristiques de la marche du procédé étant variables et la disposition du vase de réactionet du régé- nérateur étant fixe (mais susceptible de correction selon les nécessités de la coordination ultérieure), certains facteurs qui interviennent dans la conception du système d'élévation peuvent donc être dans une large mesure déter- minés par cet état de chose, y compris la hauteur minimum approximative de la hauteur d'élévation, la vitesse de cir-
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culation requise du catalyseur et le facteur "élastique" représenté par la chute de pression..
La vitesse de circula- tion du catalyseur est, comme il a été déterminé, une fonction directe de la concentration moyenne du catalyseur dans le tube élévateur et de la vitesse d'écoulement,linéaire moyen- ne du catalyseur dans ce tube, c'est-à-dire que la vitesse d'écoulement du catalyseur exprimée en 1bs par seconde et par foot carré de section transversale de l'élévateur est égale au produit de la vitesse d'écoulement linéaire moyen- ne du catalyseur en feet par seconde, par la concentration du catalyseur en Ibs par foot cube. On a constaté toutefois qu'au delà de certaines vitesse de catalyseur, la rapidité de l'usure de ce dernier augmente notablement avec la vites- se de sorte que, pour réaliser un fonctionnement pratique et efficace, il convient de ne pas dépasser certains vites- ses.
Ainsi, on a constaté avec un catalyseur commercial de fractionnement courant que-, aux vitesse- d'écoulement moyen- nes du catalyseur dans l'élévateur d'environ. 5 feet par seconde jusqu'à environ 10 à 15 feet par seconde, la rapi- dité de l'usure est extrêmement faible et ne nécessite qu'une rapidité de remplacement du catalyseur très réduite par rap- port à celle ordinairement pratiquée pour maintenir l'équi- libre dans l'activité catalytique. Lorsque la vitesse du catalyseur est portée jusque environ 20 à 25 feet par se- conde, la vitesse de l'usure augmente, mais non suffisamment pour diminuer l'intérêt que présentent de telles vitesses.
Au delà d'une vitesse de catalyseur d'environ 30 feet par seconde, la rapidité de l'usure augmente considérablement et n'est en général-pas à conseiller pour un fonctionnement
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industriel pratique. D'autre part, aux faibles vitesses de catalyseur, par exemple au-dessous de 3 feet par seconde, on ne peut pas obtenir un écoulement régulier et uniforme et le "cognement" du catalyseur qui en résulte provoque une forte usure du catalyseur et des chocs contre l'appareillage.
On a constaté également que, pour obtenir-un écoulement efficace du catalyseur dans l'élévateur tout en réalisant la. faible rapidité d'usure requise, la concentration du cataly- seur dans l'élévateur doit être contrôlée pour assurer un courant relativement concentré de catalyseur dans cet éléva- teur ce qui comme il a été déterminé pour la plupart des types des catalyseurs généralement connus, implique des concentra- tions égales à 10%-40% de la densité globale apparente du catalyseur.
En se basant sur différents types industriels de catalyseurs, ayant une densité globale apparente allant d'environ 40 à environ 55 lbs par foot cube, la concentration minimum dans l'élévateur ne doit pas être inférieure, pour un transfert efficace du catalyseur, à 3-4 Ibs par foot cube.
Des concentrations allant jusque 18 à 20 Ibs. par foot cube constituent pratiquement une limite supérieure,. bien que non nécessairement la limite maximum des possibilités de fonction- nement.
Pour déterminer les conditions de fonctionnement les plus avantageuses pour l'élévateur et en plus de l'attention avec laquelle on doit considérer la vitesse et la concentra- tion du catalyseur, il convient également de tenir compte de l'importance que présente la chute de pression par unité de longueur.
La partie de l'énergie fournie par le courant
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gazeux en vue d'effectuer le mouvement ascendant du cataly- seur et qui est dépensée dans l'élévateur, est répartie le long du trajet linéaire suivi par le catalyseur, ce qui est représenté par la chute de pression qui existe aux niveaux successifs de L'élévateur. On a également constaté que, lorsque les conditions de fonctionnement sont telles que la chute de pression moyenne par foot linéaire de hauteur dans l'élévateur est trop faible, la quantité de gaz d'élévation nécessaire pour déplacer une masse de catalyseur donnée aug- mente notablement avec réduction'correspondante- du rende- ment du procédé.
D'autre part, des chutes de pression moyen- nes extrêmement élevées peuvent avoir pour effet une agita- tion ou un manque d'uniformité localisé dans l'allure de l'écoulement sous la forme de zones de forte et de faible concentration qui tendent à augmenter la friction contre les parois et la friction entre particules ou les deux.
Il a été trouvé empiriquement que l'on peut réaliser des conditions d'écoulement satisfaisantes et une application efficace du gaz élévateur à un travail utile lorsque la chute de pression moyenne dans l'élévateur est maintenue à une valeur non inférieure à 2 Ibs et est de préférence d'au moins 3 Ibs par foot carré et par foot de hauteur d'élévateur.
Au-dessus d'environ 20 à 25 lbs par foot carré et par foot de hauteur de tube élévateur, on rencontre dans la pratique des difficultés dans le contrple et outre l'usure plus rapide du catalyseur à laquelle il convient de s'attendre, on constate qu'une élévation efficace et régu- lière du catalyseur est de plus en plus difficile à réaliser
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Les rapports réciproques des divers facteurs précités ressortiront des exeples ci-après, qui montrent l'effet des conditions variables dans une opération d'élévation typique (les données sont basées sur un tube élévateur de diamètre fixe, fonctionnant avec l'air à la température ambiante en vue de l'élévation de catalyseur pastillé d'une densité global le d'environ 55 lbs par foot cube et d'un diamètre de grain moyen d'environ 0,1 inch.)
Les termes "densité globale" ou "densité globale apparente" du catalyseur ou autre granulai- re, employée dans la présente, se rapportent au poids d'une colonne légèrement tassée d'un volume standard d'une telle matière, exprimé en lbs par foot cube. Les valeurs données pour la vitesse du gaz dans le tableau ci-après et en d'au- tres endroits de la description se rapportent à la "vitesse superficielle" mesurée par l'écoulement du gaz dans un tube vide.
TABLE I
EMI23.1
<tb> Circulation <SEP> mas- <SEP> Chute <SEP> de <SEP> pression <SEP> Vitesse <SEP> de <SEP> Vitesse <SEP> du <SEP> Concentration
<tb>
<tb>
<tb> si <SEP> que <SEP> en <SEP> Tons/ <SEP> lbs/foot <SEP> carré/ <SEP> l'air <SEP> foot/ <SEP> . <SEP> catalyseur <SEP> de <SEP> catalyseur
<tb>
<tb>
<tb> hr/foot <SEP> carré <SEP> foot <SEP> sec. <SEP> foot/sec. <SEP> lbs/foot <SEP> cube.
<tb>
<tb> de <SEP> section <SEP> trans-
<tb>
<tb>
<tb> versale
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1. <SEP> 180 <SEP> 19,9 <SEP> 16 <SEP> 5 <SEP> 18,4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2. <SEP> 180 <SEP> 6,0 <SEP> 49 <SEP> 25 <SEP> 3,68
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3.
<SEP> 180 <SEP> 10,8 <SEP> 26 <SEP> 10 <SEP> 9,2
<tb>
A titre d'un- exemple d'une marche typique basée sur les considérations ci-dessus (dans une installation pratique con- çue pour la circulation du catalyseur du type indiqué à la vitesse d'environ 700 tons par heure à une température de travail de l'ordre de 900 à 1000 F) le diamètre du tube élé-
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vateur en utilisant des quantités non excessives de gaz d'élé- vation peuvent se tenir dans les limites d'environ 20 à 36 inchs, ce qui nécessite une alimentation au gaz d'élévation d'environ 4000 à 12.000 feet cubes standard par minute.
Par exemple, à une vitesse de catalyseur moyenne d'environ 10 feet par seconde dans un tube élévateur de 200 feet auquel le gaz d'élévation, sous forme d'air est fourni à la vitesse de 8. 000 feet cube standard par minute, la chute de pression totale sera d'environ 12 lbs par inch carré.
D'autre part, en considérant une installation plue petite fonctionnant à la même température indiquée avec une circulation de 100 tons de catalyseur par heure, on utilise- ra des tubes élévateurs d'un diamètre d'environ 7 à 12 inchs ce qui représente approximativement le même rapport de la section transversale à la capacité que dans l'installation plus grande. Pour un tube de 10 inchs et une vitesse moyenne de catalyseur d'environ 13 feet par seconde fonctionnant avec une chute de pression d'environ 11,5 Ibs par inch carré, il sera nécessaire de faire circuler environ 1000 feet cubes standard de gaz par minute en prenant l'air comme base.
Pour maintenir les vitesses d'écoulement voulues pour n'importe quelles conditions de fonctionnement données, on doit réaliser non seulement une alimentation adéquate et con- tinue en catalyseur dans la chambre de transfert 12, mais il importe également qu'un intervalle d'une certaine hauteur minimum soit prévu entre le débouché de l'ajutage de déchar- ge de gaz. élévateur 16 et l'emboucure du tube élévateur 14, afin de permettre un écoulement libre et continu du catalyseur
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vera le trajet du courant gazeux à une vitesse suffisante pour remplacer continuellement le catalyseur refoulé par le courant gazeux.
Le diamètre de l'ajutage à gaz peut être égal ou infé- rieur à celui du tube élévateur et peut même être légèrement supérieur dans certains cas. Toutefois, dans le cas de larges ajutages dont le,, diamètre approche ou dépasse celui du tube élévateur, on obtient une plus grande variation dans la chute de pression et il se forme une zone de chute de pression éle- vée dans la partie inférieure du tube. Les ajutages de très faible diamètre nécessitent des vitesses de gaz accruea dans l'ajutage afin de fournir la quantité de gaz d'élévation nécessaire d'où une dissipation coûteuse d'énergie à la suite d'un frottement accru dans l'ajutage ainsi qu'en raison des pertes de pression lors de la détente dans la chambre.
Toutefois de très petits ajutages peuvent nécessiter des com- presseurs coûteux de forte puissance à groupes moteurs d'un coût élevé. En tenant compte de toutes ces consitdérations, onpeut employer des ajutages d'admission de gaz d'un diamètre allant depuis 1/4 de celui du tube élévateur.jusqu'à une dimension égale à celle de ce dernier, le rapport préféré se situant entre environ 1/3 à 2/3 du diamètre du tube élé- vateur.
Ayant choisi ainsi le rapport entre le diamètre de l'ajutage d'admission de gaz et celui du tube élévateur, on peut faire varier l'intervalle entre l'ajutage et l'embouchu- re du tube élévateur dans de larges limites, en partant d'une valeur minimum. Ci-après des exemples des dispositions appro-
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priées : tube élévateur d'un diamètre de 12 inches avec un ajutage d'un diamètre de 4 incheset un intervalle de 24 Q mètre; une petite installation d'élévation peut comprendre un tube élévateur d'u diamètre de 3 inchs, un ajutage à gaz d'un diamètre de 3 inchs et un intervalle de 5 ou 7 inchs.
Bien que dans l'exposé des vitesses d'écoulement ci- dessus, on ait envisagé l'emploi de l'air comme base d'illus- tration, on conçoit que n'importe quel gaz (ce terme compre- nant des vapeurs ainsi que des gaz véhiculant des liquides en suspension, où le gaz constitue la phase continue) peut être utilisé pour autant qu'il n'exerce pas un effet préju- diciable sur la matière solide transportée.
Ainsi on peut employer des gaz inetes où des gaz récupérés à partir des élé- ments de l'installation, par exemple des gaz de combustion ou des hydrocarbures gazeux, Lorsque le fluide gazeux utilisé est incompatible avec l'opération qui succède au cycle de circulation du catalyseur, il convient deprévoi, en plus de la séparation du gaz d'élévation dans la chambre de dégagement des moyens pour purifier le catalyseur ainsi que pour empêcher par un joint hermétique, la pénétration du gaz incompatible dans l'installation de traitement.
REVENDICATIONS.
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