WO2026022075A1 - Installation et procede d'hydrotraitement ou d'hydroconversion avec echangeurs de chaleur tubulaires munis d'inserts - Google Patents

Installation et procede d'hydrotraitement ou d'hydroconversion avec echangeurs de chaleur tubulaires munis d'inserts

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WO2026022075A1
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Olivier THINON
Severine Louesdon-Jeunet
Yacine HAROUN
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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    • F28G1/06—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances having coiled wire tools, i.e. basket type

Definitions

  • the present invention relates to the field of hydrotreating (e.g., hydrometallation, hydrodeazotation, and/or hydrodesulfurization of residue or diesel fuel) and hydroconversion (e.g., hydrocracking of heavy feedstocks).
  • hydrotreating e.g., hydrometallation, hydrodeazotation, and/or hydrodesulfurization of residue or diesel fuel
  • hydroconversion e.g., hydrocracking of heavy feedstocks
  • the present invention relates to the use of inserts in tubular heat exchangers implemented in hydrotreating or hydroconversion units.
  • heat exchangers in units for the hydrotreating or hydroconversion of petroleum feedstocks is well-established, particularly for preheating the feedstock mixed with hydrogen before it is sent to a hydrotreating or hydroconversion reactor.
  • Heat exchange typically occurs in the heat exchanger between the feedstock and the hydrotreated/hydroconverted effluent exiting the reactor; such a heat exchanger is commonly referred to in the field as a "feed-to-effluent" heat exchanger.
  • a furnace placed downstream of the feed-effluent exchanger, before the entry into the reactor, allows the feed to be brought to the target temperature of the reactor required for carrying out the hydrotreating and/or hydroconversion reactions.
  • Patents FR3075941 and FR3075942 refer to such hydrotreatment or hydroconversion processes in which feed-effluent heat exchangers are used, and in particular relate to special feed-effluent heat exchangers, known as wound heat exchangers, comprising several bundles of tubes wound helically around a central core, in many superimposed layers, which provide gains in efficiency and operating costs compared to conventional shell-and-tube heat exchangers, but which nevertheless constitute complex and expensive equipment to manufacture.
  • wound heat exchangers comprising several bundles of tubes wound helically around a central core, in many superimposed layers, which provide gains in efficiency and operating costs compared to conventional shell-and-tube heat exchangers, but which nevertheless constitute complex and expensive equipment to manufacture.
  • shell-and-tube heat exchangers have a long history of use.
  • Patents US2978226, EP1113238, and EP2975353 describe examples of this type of heat exchanger.
  • Well-known shell-and-tube heat exchangers include BEU and DEU standard heat exchangers, which consist of U-tube bundles.
  • Other examples of shell-and-tube heat exchangers are found in the oil refining industry, such as AES tubular heat exchangers with single-pass tubes.
  • Tubular heat exchangers i.e., consisting of tubes, for example, shell-and-tube heat exchangers
  • Tubular heat exchangers of the feed-to-effluent type used in hydrotreating or hydroconversion processes are characterized by being two-phase heat exchangers, meaning that the fluid on the tube side comprises two phases, typically liquid and gas. Any increase in pressure drop is often critical for the operation of this type of heat exchanger, compared to single-phase heat exchangers (i.e., the fluid on the tube side comprises a single phase, typically liquid).
  • heat exchanger insert technologies to improve heat transfer efficiency and reduce fouling of industrial heat exchanger tubes.
  • These inserts can be static or moving, typically rotating, within the tubes, can have various shapes, for example, a rigid wire winding, a twisted band, or a central shaft with blades, and can be attached to the tube in different ways, for example, at one end or both ends.
  • Fouling due to deposits in heat exchangers can affect many areas, such as oil refining, petrochemicals, and other areas of chemistry, food processing, and energy.
  • deposits can originate from impurities present in liquid streams from various processes, and/or from the decomposition or formation of organic products such as polymers or hydrocarbons and mineral products within said liquid streams. They can include suspended impurities that accumulate, deposits of mineral salts dissolved in the liquid streams, coke formation, or soluble sulfur compounds in hydrocarbon streams. These deposits can be generated by excessive fluid temperatures or result from corrosion. These deposits, which gradually accumulate on the walls of heat exchanger tubes over time, impair the performance of the heat exchangers, causing them to lose efficiency over time. The deposits form a solid substance with low thermal conductivity, which insulates the walls and reduces heat transfer within the exchanger, ultimately damaging the system. energy efficiency of the industrial processing or manufacturing unit under consideration implementing the heat exchanger.
  • One example is the refining of crude oil, which involves preheating the crude oil with the hot atmospheric residue exiting an atmospheric distillation unit.
  • Many so-called heavy crude oils are very rich in asphaltenic compounds that can form sediments, as well as in sulfur and other corrosive compounds that are prone to depositing on the internal walls of the heat exchanger tubes through which they circulate.
  • hydrotreatment or hydroconversion units must be able to process loads that can vary over time, and in particular loads that can have a different fouling power.
  • the present invention falls within this context, and relates to the use of inserts in feed-effluent type tube heat exchangers for hydrotreatment and/or hydroconversion processes of hydrocarbon feedstocks.
  • the present invention aims to overcome, at least in part, the prior art problems described above, and in particular aims to provide a hydrotreatment and/or hydroconversion installation for hydrocarbon feedstocks incorporating at least one tubular feed/effluent heat exchanger, and the associated process, meeting one or more of the following objectives:
  • a hydroconversion or hydrotreatment installation for a hydrocarbon feedstock comprising:
  • tubular feed-effluent heat exchanger configured to: preheat and send directly the hydrocarbon feed mixed with a hydrogen stream to a charging furnace of a hydrotreating or hydroconversion reaction section, and cool a reaction effluent from the hydrotreating or hydroconversion reaction section, said tubular feed-effluent heat exchanger comprising a plurality of tubes through which the reaction effluent passes, said tubes comprising an insert; - the charging furnace configured to heat and send the preheated hydrocarbon feed-hydrogen stream mixture to the hydrotreating or hydroconversion reaction section;
  • the hydrotreating or hydroconversion reaction section configured to hydrotreat or hydroconvert the hydrocarbon feedstock and produce the reaction effluent
  • a first air-cooled condenser configured to cool at least part of the reaction effluent cooled by said tubular charge-effluent heat exchanger before it is sent into a high-pressure cold separator vessel;
  • the high-pressure cold separator vessel configured to separate at least a portion of the cooled reaction effluent into a first liquid effluent comprising at least a light fraction and a first gaseous effluent comprising hydrogen
  • a separation column configured to separate said first liquid effluent comprising at least a light fraction into a background liquid and a head effluent.
  • the installation further comprises a medium-pressure cold separator vessel configured to separate the first liquid effluent comprising at least a light fraction into a second liquid effluent comprising at least a light fraction sent to the separation column (and a second gaseous effluent comprising hydrogen).
  • a medium-pressure cold separator vessel configured to separate the first liquid effluent comprising at least a light fraction into a second liquid effluent comprising at least a light fraction sent to the separation column (and a second gaseous effluent comprising hydrogen).
  • the installation further comprises:
  • a first heat exchanger configured to pre-cool all of the reaction effluent before it is sent to said tubular charge-effluent heat exchanger
  • a second heat exchanger configured to cool the bottom liquid from the separation column, and heat and send the second liquid effluent from the medium-pressure cold separator tank to the separation column after additional heating in said first heat exchanger.
  • the installation further comprises:
  • a high-pressure hot separator vessel configured to separate the cooled reaction effluent from said tubular charge-effluent heat exchanger into a first liquid effluent comprising at least a heavy fraction and a first gaseous effluent comprising a light fraction sent to the high-pressure cold separator vessel after cooling in an external flow heat exchanger and passing through said first air condenser;
  • the tubular feed-effluent heat exchanger is provided with a plurality of inserts fixed to the tubes of said feed-effluent heat exchanger, each insert comprising an element having a rigid helical winding of a metal rod comprising several turns, preferably the element comprising:
  • the insert element is rotationally mobile, said first end of the element being attached to a mechanical link of the fixing system, said mechanical link allowing free rotation of said element about itself around the axis (Z) of said tube under the action of the reaction effluent passing through said tube, and said rotationally mobile element having a second free end opposite said first end.
  • the rotating moving element of the insert further comprises a rotating drive piece positioned between the first end of said element and connected to the first section of the sequence positioned first in the sequence, said rotating drive piece comprising a shaft coaxial with the helical winding of the first section and provided with at least two blades attached to said shaft.
  • the insert comprises:
  • the present invention relates to a process for the hydroconversion or hydrotreatment of a hydrocarbon feedstock, comprising the following steps:
  • tubular feed-effluent heat exchanger comprising a plurality of tubes through which a reaction effluent passes and comprising an insert in at least one of said tubes;
  • hydrotreating or hydroconverting the hydrocarbon feedstock in the hydrotreating or hydroconversion reaction section comprising at least one reactor comprising at least one catalyst comprising at least one element chosen from the elements of Group VIII of the periodic table to form the reaction effluent;
  • the tubular feed-outlet heat exchanger is provided with a plurality of inserts fixed to the tubes of said tubular feed-outlet heat exchanger, each insert comprising an element having a rigid helical winding of a rod comprising several turns, preferably the element comprising:
  • the hydrotreating or hydroconversion of the hydrocarbon feedstock is carried out with at least one of the following operating conditions:
  • the temperature is between approximately 200°C and approximately 550°C;
  • the total pressure is between approximately 1 MPa and approximately 38 MPa;
  • the overall hourly spatial velocity of the liquid charge is between approximately 0.05 h1 and approximately 12 h1
  • the hydrogen flow comprises between approximately 50% and approximately 100% of the volume of hydrogen relative to the volume of the hydrogen flow;
  • the quantity of hydrogen relative to the liquid hydrocarbon feedstock is between approximately 50 Nm3 / m3 and approximately 5000 Nm3 / m3
  • the hydrocarbon filler is chosen from:
  • feedstocks of fossil origin selected from diesel fuels, vacuum distillates, atmospheric residues, vacuum residues or Fischer-Tropsch unit effluents, - feedstocks derived from biomass conversion chosen from vegetable, algal, fish, or used food oils, fats of vegetable or animal origin, or oils produced from lignocellulosic biomass,
  • Figure 4 represents an insert and its method of attachment to the tube of a single-phase heat exchanger, known from the prior art.
  • pressures are absolute pressures, also noted as abs., and are given in absolute MPa (or abs. MPa), unless otherwise indicated.
  • hydroconversion refers to a process whose primary purpose is to reduce the boiling point range of a hydrocarbon feedstock, and in which a substantial portion of the feedstock is converted into products with lower boiling point ranges than the original feedstock. Hydroconversion typically involves the fragmentation of larger hydrocarbon molecules into smaller molecular fragments with fewer carbon atoms and a higher hydrogen-to-carbon ratio. The reactions carried out during hydroconversion reduce the size of hydrocarbon molecules, primarily by cleaving carbon-carbon bonds, in the presence of hydrogen to saturate the broken bonds and aromatic rings.
  • hydroconversion occurs typically involves the formation of hydrocarbon free radicals during fragmentation, mainly through thermal cracking, followed by the capping of the free radical terminations or fragments with hydrogen in the presence of active catalyst sites.
  • other reactions typically associated with hydrotreating may occur, such as, among others, the removal of sulfur or nitrogen from the feed, or the saturation of olefins, and as more broadly defined below.
  • hydrotreating commonly referred to as “HDT,” describes a gentler process than hydroconversion. Its primary purpose is to remove impurities such as sulfur, nitrogen, oxygen, halides, and trace metals from the feedstock, and to saturate olefins and/or stabilize hydrocarbon free radicals by causing them to react with hydrogen rather than allowing them to react with themselves. The main objective is not to alter the feedstock's boiling point range.
  • a hydroconversion or hydrotreating "catalyst” is defined as a porous supported catalyst used in a hydroconversion or hydrotreating process. of a hydrocarbon feedstock.
  • the term “catalyst” refers to such a hydroconversion or hydrotreating catalyst, unless otherwise specified.
  • Such catalysts typically comprise (i) a catalyst support with a large surface area and numerous interconnected channels or pores, and (ii) an active phase in the form of fine particles of an active catalyst such as cobalt, nickel, tungsten, molybdenum sulfides, or mixed sulfides of these elements (e.g., NiMo, CoMo, etc.), dispersed within the pores.
  • Supported catalysts are commonly produced as cylindrical extrudates ("pellets") or spherical solids, although other shapes are possible. One such catalyst is described in detail later.
  • chemical element groups may be given according to the CAS classification (CRC Handbook of Chemistry and Physics, publisher CRC Press, editor-in-chief D.R. Lide, 81st edition, 2000-2001).
  • group VIII (or VII I B) according to the CAS classification corresponds to the metals in columns 8, 9, and 10 according to the new IUPAC classification
  • group Vlb according to the CAS classification corresponds to the metals in column 6 according to the new IUPAC classification.
  • rigid refers to the helical winding of a rod, preferably metallic, meaning a winding that does not deform, or hardly deforms, irreversibly under the action of the fluid that rotates the moving part containing said winding, under normal operating conditions of the heat exchanger tubes.
  • said winding does not deform, or hardly deforms, irreversibly when the circulating fluid exhibits variations in speed, viscosity, and/or temperature.
  • a tube-side heat exchanger or tubular heat exchanger, is defined as a heat exchanger comprising at least one tube inside which flows a fluid commonly referred to as the "tube-side fluid," exchanging heat with a fluid flowing outside said tube.
  • the heat exchangers referred to in the present invention are classically known as straight-tube shell-and-tube heat exchangers, in which the tube-side fluid flows inside a set of parallel tubes called a tube bundle. These tubes are enclosed in a The outer shell is called the shell.
  • the other fluid called the “shell-side fluid,” flows inside the shell but outside the tubes.
  • the flow of fluids on the tube and shell sides can be co-current and/or counter-current.
  • tubular heat exchangers are not wound heat exchangers, that is to say, comprising one or more bundles of tubes wound helically around a central core, in many superimposed layers.
  • a heat exchanger such as the feed-effluent heat exchanger
  • a heat exchanger is understood as operating only with fluids from the process, typically effluents produced in the process stages, unlike external flow heat exchangers, understood as heat exchangers in which one of the fluids involved in heat transfer is external to the process, for example, water vapor external to the process.
  • the pitch of a helical winding with multiple turns is understood by the commonly accepted definition, which is the distance measured between the centers of two turns. In a two-dimensional representation, it is the distance between two crests on the same side of the winding axis, and in a 3D representation, it is the length (distance) between two turns around the axis of revolution of the turn (or the distance traveled along the axis of revolution of the turn to make one complete turn).
  • the present invention relates to an installation and a method for the hydrotreating or hydroconversion of a hydrocarbon feedstock, such as installations and methods for the hydroconversion of heavy feedstocks, for example, residues or vacuum diesel.
  • the present invention also relates to an installation and a method for hydrotreating, such as installations and methods for the hydrodemetallation, hydrodeazotation, and/or hydrodesulfurization of residues or diesel.
  • the present invention thus proposes an installation and a method for hydrotreating or hydroconverting a hydrocarbon feed comprising at least one tubular feed-effluent heat exchanger (E-2) equipped with inserts.
  • inserts can also be used in other heat exchangers than the tubular charge-effluent heat exchanger E-2 within the installation, such as the known insert illustrated in Figure 4, or the same types of inserts as those used in the tubular charge-effluent heat exchanger E-2 and illustrated in the other Figures 5-8.
  • the hydrotreatment or hydroconversion installation according to the invention includes at least one tubular feed-effluent heat exchanger E-2 configured to preheat and send directly the hydrocarbon feed mixed with a hydrogen stream to a feed furnace F-l of a hydrotreatment or hydroconversion reaction section R-l, and to cool a reaction effluent from the hydrotreatment or hydroconversion reaction section R-l.
  • the tubular feed-effluent heat exchanger E-2 comprises a plurality of tubes 10 through which a fluid, in this case the reaction effluent, flows, and includes an insert in at least one of said tubes, preferably fixed to the upstream end of at least one of said tubes.
  • upstream and downstream refer to the direction of fluid flow.
  • the tubular feed-effluent heat exchanger E-2 is a two-phase heat exchanger, that is, configured for the circulation of a gas phase and a liquid phase within said tubes.
  • the F-l charging furnace configured to heat and send the preheated hydrocarbon charge-hydrogen stream mixture to the hydrotreating or hydroconversion reaction section R-l;
  • a charging furnace F-l configured to heat the preheated hydrocarbon feed-hydrogen stream mixture (line 6) from the tubular feed-effluent heat exchanger E-2 and send the heated hydrocarbon feed-hydrogen stream mixture (line 7) to the hydrotreating or hydroconversion reaction section R-l;
  • a B-5 reflux flask to separate the overhead effluent or condensed overhead effluent into a overhead gaseous fraction (e.g. acid gas) (line 31) and a hydrocarbon liquid cut (e.g. naphtha) (line 30);
  • a overhead gaseous fraction e.g. acid gas
  • a hydrocarbon liquid cut e.g. naphtha
  • the E-2 tubular feed-effluent heat exchanger is arranged to heat the hydrocarbon feed-hydrogen flux mixture with the reaction effluent.
  • the hydrocarbon load targeted by hydrotreatment and/or hydroconversion can be of a different nature.
  • the fossil fuel feedstock can include, in particular, a fraction derived from coal or hydrocarbons produced from natural gas, possibly in mixtures. It can also consist of petroleum fractions or Heavy synthetics, such as kerosene, diesel, or distillates obtained by atmospheric and vacuum distillation, are used to produce usable kerosene, diesel, or vacuum distillate. This usable product is then either stored in a pool receiving similar products or sent to a downstream unit, such as a catalytic cracking unit, where the feedstocks are cracked to produce shorter-chain hydrocarbons. Hydrotreating is often a preliminary step in the hydroconversion/hydrocracking process of treating a feedstock.
  • the fossil fuel feedstocks used in a hydrotreating process are for example gasoline, diesel, vacuum diesel, atmospheric residues, vacuum residues, atmospheric distillates, vacuum distillates, heavy fuel oils, oils, waxes and paraffins, used oils, residues or deasphalted crudes, feedstocks from thermal or catalytic conversion processes, taken alone or in mixtures.
  • the feedstock resulting from biomass conversion may advantageously be chosen from vegetable oils, algae or algal oils, fish oils, used cooking oils, and fats of vegetable or animal origin; or mixtures of such feedstocks.
  • Said vegetable oils may advantageously be crude or refined, wholly or partially, and derived from plants chosen from rapeseed, sunflower, soybean, palm, olive, coconut, copra, castor, cottonseed, peanut, linseed, and crambe oils, and all oils derived, for example, from sunflower or rapeseed by genetic modification or hybridization, this list not being exhaustive.
  • Said animal fats are advantageously chosen from lard and fats composed of residues from the food industry or from the catering industry.
  • Frying oils various animal oils such as fish oils, tallow, and lard may also be used.
  • the feedstock from biomass conversion can also advantageously be chosen from methyl esters of fatty acids of vegetable and/or animal origin or from methyl esters of fatty acids from used edible vegetable oils.
  • the bottom liquid comprises the heaviest fraction of the effluent from the reaction section, including diesel, kerosene and/or unconverted residue depending on the nature of the feed and the type of reaction.
  • tubular feed-effluent heat exchanger E-2 comprising a plurality of tubes 10 through which a fluid flows and comprising an insert fixed to the upstream end of at least one of said tubes;
  • the operating conditions of the R-l hydrotreating or hydroconversion reaction section include at least one of the following characteristics:
  • the temperature is between approximately 200 and approximately 550°C, preferably between approximately 200°C and 460°C;
  • the total pressure is between approximately 1 MPa and approximately 38 MPa, such as between 2 MPa and 20 MPa, preferably between 2.5 MPa and 18 MPa, and most preferably between 3 MPa and 18 MPa;
  • the overall hourly spatial velocity of liquid charge for each catalytic step is between approximately 0.05 h -1 and approximately 12 h 1 , and preferably between approximately 0.1 h -1 and approximately 10 h 1 ;
  • the purity of the hydrogen used is between approximately 50 and 100% by volume relative to the volume of the hydrogen input (i.e., recycled hydrogen/make-up hydrogen mixture);
  • the quantity of hydrogen relative to the liquid hydrocarbon charge is between approximately 50 Nm 3 /m 3 and approximately 5000 Nm 3 /m 3 , preferably between approximately 50 Nm 3 /m 3 and approximately 2500 Nm 3 /m 3 .
  • Any catalyst known to a person skilled in the art may be used in the process according to this description, for example a catalyst comprising at least one element selected from the elements of Group VIII of the periodic table (groups 8, 9 and 10 of the new periodic table) and possibly at least one element selected from the elements of Group VIB of the periodic table (group 6 of the new periodic table).
  • a conventional hydroconversion catalyst can be used, comprising, on an amorphous support, at least one metal or metal compound having a hydro-dehydrogenating function.
  • This catalyst can be a catalyst comprising metals from group VIII, for example nickel and/or cobalt, most often in combination with at least one metal from group VIB, for example molybdenum and/or tungsten.
  • a catalyst comprising 0.5 to 10% by weight of nickel (expressed as nickel oxide NiO) and 1 to 30% by weight of molybdenum, preferably 5 to 20% by weight of molybdenum (expressed as molybdenum oxide MoOa) relative to the total weight of the catalyst, can be used on an amorphous mineral support.
  • the total content of metal oxides from groups VIB and VIII in the catalyst is generally between 5 and 40% by weight, and preferably between 7 and 30% by weight, relative to the total weight of the catalyst.
  • the weight ratio (expressed on the basis of metal oxides) between metal(s) of group VIB and metal(s) of group VIII is generally from about 20 to about 1, and most often from about 10 to about 2.
  • the support is, for example, chosen from the group formed by alumina, silica, silica-aluminas, magnesia, clays, and mixtures of at least two of these minerals. This support may also contain other compounds and, for example, oxides chosen from boron oxide, zirconia, titanium oxide, and phosphoric anhydride.
  • Another type of catalyst that can be used is one containing at least one matrix, at least one zeolite Y, and at least one hydro-dehydrogenating metal.
  • the matrices, metals, and additional elements described previously can also be included in the composition of this catalyst.
  • Advantageous zeolites Y are described in patent application WOOO/71641, as well as patents EP0911077,
  • the high-pressure cold separator vessel B-2 is operated at a pressure lower than that of the hydrotreating or hydroconversion reaction section Rl or the high-pressure hot separator vessel Bl, for example a pressure 0.1 MPa to 1.0 MPa lower than that of the hydrotreating or hydroconversion reaction section Rl or the high-pressure hot separator vessel Bl.
  • the temperature of the high-pressure cold separator vessel B-2 is generally kept as low as possible given the available cooling resources. This is to maximize the purity of the recycled hydrogen.
  • the temperature of the high-pressure cold separator vessel B-2 is typically between 20°C and 100°C, preferably between 35°C and 70°C.
  • the first liquid effluent, containing at least a light fraction, from the high-pressure cold separator vessel B-2 is sent to the separation column C-1, preferably a stripper column, preferably equipped with the reflux vessel B-6.
  • the cooled reaction effluent is sent to the optional high-pressure hot separator vessel B-l, which is operated at a lower pressure, for example, 0.1 MPa to 1.0 MPa lower than that of the hydrotreating or hydroconversion reaction section R-l.
  • the temperature of the high-pressure hot separator vessel B-l is generally between 200°C and 450°C, preferably between 250°C and 380°C, and most preferably between 260°C and 360°C.
  • the first liquid effluent including at least a heavy fraction from the high-pressure hot separator tank B-1 is sent into a first valve V-1 or an optional turbine and directed to the optional medium-pressure hot separator tank B-3, the pressure of which is chosen so as to be able to supply the optional medium-pressure cold separator tank B-4 with the second liquid effluent including at least a heavy fraction from the medium-pressure hot separator tank B-3.
  • the B-3 medium-pressure hot separator tank is operated at a pressure between 1.0 and 5.0 MPa, preferably between 1.5 and 3.5 MPa.
  • the temperature of the B-3 medium-pressure hot separator tank is generally between 150°C and 380°C, preferably between 200°C and 360°C.
  • the first liquid effluent, including at least a light fraction, from the high-pressure cold separator vessel B-2 is expanded in a second valve V-2 or an optional turbine and directed to the optional medium-pressure cold separator vessel B-4.
  • the total pressure of the medium-pressure cold separator vessel B-4 is preferably that required to efficiently recover the hydrogen contained in the second gaseous effluent, which includes hydrogen separated in said vessel B-4. This hydrogen recovery is preferably carried out in a pressure-reversal adsorption unit.
  • the total pressure of the medium-pressure cold separator vessel B-4 is generally between 1.0 MPa and 5.0 MPa, preferably between between 1.5 MPa and 3.5 MPa.
  • the temperature of the medium-pressure cold separator tank B-4 is generally between 20°C and 100°C, preferably between 25°C and 70°C.
  • the bottom liquid (line 26) of the C-l separation column can be heated via the fourth heat exchanger E-4 before being sent via line 27 to a fractionation section (not shown) which allows the separation of naphtha, kerosene, diesel and residue fractions.
  • FIGS 1, 2 and 3 show the same numbering for the same equipment in the hydrotreatment or hydroconversion plant.
  • Figure 2 illustrates an example of a first embodiment of the invention.
  • the hydrotreatment or hydroconversion installation according to this first embodiment of the invention comprises all the elements of the installation described in relation to Figure 1, which are not repeated here, and further comprises the following element, which is no longer optional: - the medium pressure cold separator tank B-4.
  • the hydrotreatment or hydroconversion installation according to this second embodiment of the invention comprises all the elements of the installation described in relation to Figure 1, which are not repeated here, the following elements no longer being optional:
  • the E-2 tubular charge-effluent heat exchanger is equipped with a plurality of inserts fixed to the tubes of said charge-effluent heat exchanger.
  • FIGs 5 to 8 illustrate examples of inserts that can be integrated into the tubes of the E-2 tubular charge-effluent heat exchanger(s).
  • each insert comprises an element 100 having a rigid helical winding of a rod, preferably metallic, comprising several turns.
  • the insert comprises an element 100 comprising a sequence of several successions of a first section SI of length L1 comprising a rigid helical winding of a rod, preferably metallic, comprising several turns and of a second section S2 of length L2 comprising a straight rod, preferably metallic.
  • Element 100 includes a first end, advantageously connected to a fixing system 200 of said element 100 to an inlet of said tube 110, visible in figure 6.
  • the sequence consisting of a first section SI comprising a rigid helical winding of a rod with several turns and a second section S2 comprising a straight rod is repeated n times in the sequence.
  • the sequences are preferably identical to each other, i.e., have the same geometric characteristics (e.g., same lengths L1 and L2, same pitch of the first section, same rod thickness, etc.).
  • a sequence of different sequences does not fall outside the scope of the present invention.
  • the value of the length L1 and/or L2 may be the same from one sequence to the next. or be different.
  • the length L1 of the first SI section of the first sequence in the chain may be different from the length L1 of the SI section of subsequent sequences, because it is the first SI section of the first sequence that mainly rotates the rest of the insert.
  • is essentially equal to the sum of the lengths L1 and L2 of all the sequences S1/S2.
  • the length Li can be equal to n times the sum of the lengths L1 and L2 if the lengths L1 and L2 are identical from one sequence to the next.
  • Permanent joining means can connect the first section SI and the second section S2, as well as any sequences between them, to form an element 100 in the form of a single part.
  • Such permanent joining means are, for example, welds or any other suitable permanent joining means for said parts.
  • the first section SI and the second section S2, as well as any sequences between them form an element 100 in the form of a single part without any joining means, the individual parts being manufactured directly as a single piece.
  • non-permanent joining means preferably detachable, such as a hook-and-washer assembly or any other suitable joining means, are used to connect the first section SI and the second section S2, as well as any sequences between them, to form an element 100 in the form of separate parts connected so as to be mechanically joined.
  • the first SI section of the sequence positioned first in the chain from the entrance of tube 110 originates at the first end of element 100.
  • Element 100 can be static, but is preferably rotationally mobile during its operation within the heat exchanger tube 110. When element 100 is rotationally mobile, the insert also scrapes the tube walls, further reducing pressure drop compared to a static insert, as explained in detail below.
  • the first end of the element 100 may be attached to a mechanical link of the fastening system 200, which allows the element 100 to be positioned axially and securely within the tube 110 through which a fluid flows.
  • the fastening of the static element 100 within the tube may be reinforced by additional fastening means to the tube, which may be located at a second end opposite the first end and/or along the element 100.
  • the static element 100 may also be secured without dedicated fastening means.
  • the presence of element 100 increases the turbulence of the circulating fluid, improves heat exchange, and homogenizes the temperature of the circulating fluid throughout the tube's cross-section. This prevents the formation of hot spots on the tube wall and consequently significantly reduces the risk of solid deposit formation, improving heat transfer, which is typically hampered by this type of deposit.
  • the insert when rotated, also scrapes away any deposits that may have formed on the wall, thus reducing fouling.
  • heat transfer is improved due to the increased turbulence of the circulating fluid caused by the presence of the insert, which enhances convective heat transfer.
  • the threshold (threshold speed) for initiating rotation of an insert corresponds to the minimum surface velocity of the circulating fluid that allows the insert's moving element to rotate.
  • the inserts of the tubes of the E-2 tubular feed-effluent heat exchanger have the capacity to limit the pressure drop associated with the operation of the insert, and are thus particularly well-suited for use in two-phase tubular heat exchangers that may have more demanding operating conditions with respect to pressure drop, i.e., have a low acceptable pressure drop threshold, as is the case in the field according to the invention.
  • the insert can, in particular, be sized to meet the pressure drop requirements of an existing hydrotreatment or hydroconversion plant.
  • the insert comprising a series of several successions of a first section SI comprising a rigid helical winding of a rod comprising several turns followed by a second section S2 comprising a straight rod, in particular according to the specificities described below, surprisingly improves heat exchange, and possibly reduces fouling, while limiting the pressure loss induced by the insert.
  • the pressure loss is further reduced if the element 100 of the insert is mobile in rotation.
  • the number of S1/S2 successions, called n, is determined in such a way as to obtain optimal heat transfer.
  • n which is a positive integer, is between 2 and 15, preferably between 2 and 10, more preferably between 4 and 8.
  • the pitch pl of the first SI section is between 10 mm and 50 mm, preferably is between 20 mm and 40 mm.
  • the turn inclination angle ⁇ is defined with respect to the winding axis coinciding with the Z-axis of the heat exchanger tube in which the insert is mounted.
  • the angle ⁇ i refers to the turn inclination angle of the first SI section.
  • the length of a given section (S1, S2) is preferably identical.
  • the lengths L1 and L2 can be estimated using the equations
  • APs the maximum additional pressure drop specified for one meter of heat exchanger tube
  • APi the pressure drop generated for one meter of heat exchanger tube equipped with an insert.
  • APi can be calculated or measured, and the insert used is a classical rigid helical winding of given geometric parameters.
  • APv the pressure drop generated by one meter of exchanger tube without insert.
  • the length L1 of the first SI section is between 50 mm and 12000 mm, preferably between 500 mm and 5000 mm.
  • the length L2 is between 500 mm and 12000 mm, preferably between 500 mm and 5000 mm.
  • the first section SI and the second section S2 are interdependent, as are the sequences between them, and can form an element 100 in the form of a single piece (a single final piece), typically when permanent assembly means such as welds connect the first section SI and the second section S2 on the one hand, and the successions between them on the other hand.
  • the total length of the insert is less than or equal to the total length of the heat exchanger tube 110, and preferably between 50% and 100% of the total length of the heat exchanger tube 110: the total length of the insert is preferably between Lt/2 and Lt , with Lt the length of the exchanger tube 110.
  • the total length of the insert may be slightly less than the tube length to take into account possible elongation due to mechanical stress applied by the fluid and/or thermal expansion.
  • the E-2 heat exchanger tube 110 can have a total length between 500 mm and 6000 mm, preferably between 1000 mm and 6000 mm.
  • the rigid helical winding of the first section SI has a diameter D, which corresponds to the diameter of the turns of the winding.
  • the diameter D of the turns of the rigid helical winding of the first section SI is greater than or equal to 80% of the diameter Dt of the tube 110 of the heat exchanger, preferably greater than or equal to 90% of the diameter Dt, in order to generate optimal turbulence of the circulating fluid and possibly to scrape deposits on the tube wall efficiently.
  • the diameter D of the turns of the rigid helical winding of the first section SI is between 80% and 100% of the diameter Dt of the heat exchanger tube 110, more preferably between 85% and 100% of the diameter Dt.
  • the diameter D of the turns of the rigid helical winding of the first section SI is preferably between 80% and 99% of the diameter Dt of the heat exchanger tube 110, more preferably between 85% and 95% of the diameter Dt.
  • the diameter of the tubes can be between 10 mm and 100 mm, preferably between 10 mm and 50 mm.
  • a space "c" exists between the rigid helical winding of section SI and the inner wall of tube 110 such that said rigid helical winding of the element does not touch the tube wall, in the case of the rotating insert, as referenced in Figure 7, which shows a rear view of a portion (part of the first section SI) of the insert and the heat exchanger tube E-2, in order to avoid damaging the tube wall, for example, creating scratches that could form surface irregularities that could promote corrosion.
  • This space "c” is preferably between 1 mm and 3 mm.
  • the rigid helical winding of the SI section can have a cross-section taking on different shapes, and preferably has a circular or square cross-section, and more preferably has a circular cross-section.
  • the rod, preferably metallic, forming the rigid helical winding of section SI has a diameter el
  • the straight rod, preferably metallic, of the second section S2 has a diameter e2.
  • the diameters el and e2 are preferably between 0.5 mm and 5 mm, more preferably between 1 mm and 3 mm.
  • the diameters el and e2 can be identical or different. Having identical diameters el and e2 has the advantage of simplifying the manufacture of the insert.
  • the direction of the rigid helical winding of the SI section which can also be defined as the direction of the pitch of the turns, can be clockwise, or counterclockwise (relative to the direction of fluid flow in the tube, represented by an arrow along the Z axis in the figures).
  • the first end of the element 100 preferably attached to the mechanical link 220, may include a ring la or any other means of attachment to the mechanical link 220.
  • the insert material can be carbon steel, stainless steel, or any other metal or metal alloy such as Inconel®, providing the required rigidity and preferably resistance to high temperatures and corrosion.
  • the insert material is preferably less hard than the heat exchanger tube material to prevent tube degradation.
  • the material forming the insert can be coated with a layer of protective material, typically a polymer layer.
  • the material forming the insert can alternatively be a polymer or composite material (metal or metal alloy with a polymer material, or different types of polymers, or a composite material combining different types of reinforcements, such as fibers, particles, etc., with different matrices, such as a polymer, metallic or ceramic matrix).
  • a polymer or composite material metal or metal alloy with a polymer material, or different types of polymers, or a composite material combining different types of reinforcements, such as fibers, particles, etc., with different matrices, such as a polymer, metallic or ceramic matrix).
  • the rigid helical winding of the first section SI and the straight stem of the second section S2 of the element are robust elements, i.e., with a low risk of breakage.
  • the system for attaching the insert to the tube can be a traditional attachment system, for example, such as that described in patents FR2612267 and FR2639425 in the case of an insert with a rotating movable element 100.
  • the attachment system is advantageously arranged along the Z-axis of the heat exchanger tube so that the movable element of the insert can rotate about said axis.
  • the attachment system is typically positioned at the tube inlet, and the rotating movable element of the insert is connected to the attachment system and positioned downstream in the tube.
  • An example of a traditional attachment system 200 is shown in Figure 6, and includes a bearing 230 and the mechanical linkage 220. typically formed by a rotating trunnion.
  • the trunnion 220 is fixed to the movable element 1 of the insert such that the insert is free to rotate about the Z-axis of the tube 110.
  • the bearing 230 comprises a stirrup-shaped portion 230a, typically a single-piece component made of a rigid material capable of elastic deformation, the end of which is in the form of two arms for attachment to the conduit of the tube 110, and a central portion 230b comprising an opening for retaining the trunnion 220.
  • the two arms of the stirrup-shaped portion 230a are separated by a distance such that the arms can be forcibly engaged in an open end of the tube 110 to bear elastically against the inner wall of the tube, so as to make the bearing portion 230a rigidly fixed to the tube 110.
  • the trunnion 220 comprises a straight cylindrical rod engaged in the opening of The central portion 230b of the bearing 230 has a hook-shaped end 210 that can be hooked onto the ring or any other fastening means included in the first end of the rotating element 100.
  • the other end of the trunnion 220 has a washer-shaped head adapted to hold it captive within the bearing 230.
  • a wear washer may also be interposed between the bearing and the trunnion head.
  • the system for attaching the insert to the tube can also be configured so that the insert element 100 is fixed, i.e., static, within the insert (no rotation of the insert).
  • a fastening system may include various means of attaching the element 100 to the tube, at the inlet and/or inside the tube, and possibly at the tube outlet, for example, but not limited to:
  • the insert can also be fixed in the tube without a dedicated fixing system, for example in the case where the diameter of the rigid helical winding is equal to the diameter of the tube, due to the stiffness of the helical winding which is in contact with the wall of the tube and fixes the insert in the tube.
  • Each insert advantageously includes its own tube fixing system, although a common fixing system shared between the inserts of the other E-2 heat exchanger tubes can be used.
  • the rotating element 100 of the insert further comprises a rotating drive piece 300 positioned upstream and connected to the first section SI of the sequence positioned first in the assembly.
  • the rotating drive piece 300 is thus positioned between the fastening system 200 and the first section SI of the first sequence in the assembly of the insert element 100.
  • the rotating drive part includes a shaft 3a coaxial with the helical winding of the first section SI, said shaft being provided with at least two blades 300b attached to the shaft 3a.
  • the rotating drive part 300 has Nb blades, Nb being an integer between 2 and 6, preferably between 3 and 5.
  • This type of insert has a lower rotation threshold compared to existing rigid helical-wound rotary inserts.
  • the reduced rotation threshold speed ensures a mechanical effect even at low fluid flow rates in the feed-effluent heat exchanger tube, thus improving the versatility of this insert.
  • the rotating drive part 300 has a length La, which corresponds substantially to the length of the shaft 3a, and which is preferably between 10 mm and 500 mm, preferably between 20 mm and 200 mm.
  • the total length of such an insert is essentially made up of the sum of the length La of the rotating drive part 300 and the length U of the sequence of successions S1/S2, the length Li being able to be equal to n times the sum of the lengths L1 and L2 if the lengths L1 and L2 are identical from one succession to the other.
  • the length L3 of a blade is the distance, along the Z-axis, between the leading edge of the blade and its trailing edge.
  • the leading and trailing edges follow each other in the direction of fluid flow, with the leading edge initially facing the fluid.
  • Each blade has a pitch angle P3, which can be defined between the Z-axis and the tangent to the mean camber line of the blade at a given point on the blade.
  • This pitch angle can be variable or fixed along Z and/or r in a cylindrical coordinate system.
  • all the blades are identical, that is to say, they have the same geometric characteristics (length, diameter, thickness, etc.).
  • the 300 rotating drive part of the insert is a robust element, i.e., one with a low risk of breakage.
  • the material forming the rotating drive part 300 of the rotating mobile element 100 of the insert can be one of those already listed above for the insert, and can be identical or different from the material used for the linking of sections S1/S2.
  • the insert example illustrated in Figure 8 has a rotating drive part 300 in the shape of a screw, the blades forming spirals, and the pitch of each blade p3 (pitch of revolution) is between 10 mm and 50 mm, more preferably between 15 mm and 20 mm.
  • the pitch of revolution of the blades is advantageously adjusted so as to generate the moment necessary to start the rotation of the insert while respecting the pressure loss constraint.
  • the screw-shaped rotating drive piece 300 has four identical blades 300b.
  • the blades wind around the shaft 3a along the entire length of the piece, giving it its screw shape.
  • the length L3 of the rotating drive piece 300 is also the length of one blade.
  • the number of turns (also called revolution) for the screw-shaped drive part 300 is greater than 1, for example equal to 5 as illustrated in Figure 8.
  • the shaft 3a of the rotating drive component 300 has a diameter da3, preferably between 1 mm and approximately 50% of the tube's internal diameter, typically between 1 mm and 50 mm, but more preferably between 2 mm and 10 mm.
  • the diameter of shaft 3a influences the fluid passage area, and large values of da3 increase the fluid's surface velocity.
  • the diameter da3 of shaft 3a can be constant along the Z-axis, as shown in Figure 8. Alternatively, it can be variable along the Z-axis.
  • the blades of the rotating drive component 300 have a diameter dr3, preferably greater than or equal to 80% of the diameter Dt of the heat exchanger tube 110, and more preferably greater than or equal to 90% of the diameter Dt.
  • the diameter dr3 of the blades is between 80% and 99% of the diameter Dt of the heat exchanger tube 110, and more preferably between 85% and 95% of the diameter Dt.
  • This gap is preferably between 1 mm and 3 mm.
  • This gap is preferably constant along the axis of the shaft. However, it can vary along said axis, for example decrease, preferably continuously, from the inlet to the outlet of the tube (in the direction of fluid flow in an operating situation of the insert).
  • the diameter dr3 of the blades is between 8 mm and 99 mm, preferably between 8.5 mm and 95 mm, more preferably between 8.5 mm and 50 mm, and even more preferably between 10 mm and 25 mm.
  • the diameter of a blade is constant, as shown in Figure 8, or may vary in the direction of the shaft axis.
  • the blades have a thickness e3, preferably between 0.3 mm and 3 mm.
  • the blade thickness must be minimal while still meeting mechanical constraints, to reduce size and thus pressure loss.
  • the blade surface is the surface formed by the junction between two propeller curves with two diameters of revolution: da3 and dr3.
  • the shaft 3a and the blades can be a single unit (i.e. manufactured in one piece), or alternatively be separate units fixed to each other for example by welding or any other rigid fastening means allowing the whole to be joined together.
  • the rotating drive piece 300 can be connected to the rigid helical winding of the first section SI of the sequence positioned first in the assembly (starting from the inlet of the tube 110) by any means of connection allowing the joint rotation of said rigid helical winding with the drive piece 300, and thus ultimately of the moving element 100, about itself around the Z-axis under the action of a fluid flowing through the tube 110.
  • the rotating drive piece 300 has an end 3d, opposite end 3c, which has a hook connected to a ring la carried by the end of the rigid helical winding of the first section SI of the sequence positioned first.
  • the second end of the element 100, at the end of the sequence of the first and second sections SI and S2 is free. Any suitable means of fastening other than a hook-washer assembly can be used to fasten the rotating drive part 300 and the succession of sections S1/S2.
  • the installation further comprises at least one additional heat exchanger, different from the tubular charge-effluent heat exchanger E-2, and which may be single-phase or two-phase, comprising a plurality of tubes 110 through which a fluid flows and which are fitted with an insert.
  • at least one additional heat exchanger different from the tubular charge-effluent heat exchanger E-2, and which may be single-phase or two-phase, comprising a plurality of tubes 110 through which a fluid flows and which are fitted with an insert.
  • the insert can be a known prior art insert as illustrated in Figure 4, or an insert similar to those used in the tubular charge-effluent heat exchanger E-2 as described above, particularly with reference to Figures 5-8.
  • Figure 4 illustrates a rotating insert comprising a rigid helical metal winding with a plurality of turns of length L, diameter D, pitch p, and angle of inclination alpha (a) defined with respect to the central axis of the winding coinciding with the Z axis of the heat exchanger tube in which the insert is mounted, the metal rod forming the winding having a thickness e.
  • the metal winding has a free end and an end fitted with a ring for attachment to a tube fixing system as already described in relation to Figures 5-7. Examples
  • the hydrocarbon feedstock is a cut with boiling points between 140°C and 375°C and the following characteristics:
  • the installation comprises two trains of 5 E-2 tubular heat exchangers.
  • the tubes are fitted with inserts.
  • the effluent 8 exiting the hydrotreating reactor is partially cooled in the first heat exchanger E-1, which also heats the feedstock 24 in the separation column C-1, then is cooled in the tubular feedstock-effluent heat exchanger trains E-2, and finally cooled via the air-cooled condenser A-1.
  • a first separation is carried out in the high-pressure cold separator vessel B-2 to recover the gas fraction containing hydrogen 15, which is purified in the amine scrubbing unit C-2, compressed by the compressor K-1, and then recycled to the hydrotreating reactor R-1 (flow 4) with a supply of fresh compressed hydrogen (flow 3) by the compressor K-2.
  • the liquid fraction 20 from vessel B-2 is sent to a medium-pressure cold separator vessel (lower than that of B-2) B-4 to recover the liquid fraction sent to the separation column C-1 and to fractionate the products of interest (27, 30).
  • Example 1 (according to the invention):
  • the thermal resistance coefficients due to fouling considered in the calculations are 0.0003 m 2 .K/W on the tube side and 0.0007 m 2 .K/W on the calender side.
  • the gain on the heat transfer coefficient on the tube side taken into account is 30%, i.e. a value of 1690 W/m 2 .K, as in example 1.
  • the thermal resistance coefficient due to fouling taken into account is 0.0001 m2.K /W on the tube side, and it is 0.0007 m2.K /W on the calender side as in example 1.
  • the gain on the heat transfer coefficient on the tube side taken into account is 50%, i.e. a value of 1950 W/m 2 .K.
  • the thermal resistance coefficient due to fouling taken into account is 0 m2.K /W on the tube side, and it is 0.0007 m2.K /W on the calender side as in example 1.
  • the examples show significant gains in energy consumption and limitation of CO2 emissions generated at the charging furnace and air condenser level.
  • example 1 it is possible to limit fuel consumption at furnace Fl by approximately 535 tonnes of oil equivalent (toe) per year, which is equivalent to approximately 1605 tonnes of CO2 avoided per year (-1% compared to the REF case of E-2 heat exchangers without inserts).
  • a CO2 saving of 34.7 L is also achieved because the effluent 10 exits at a lower temperature and requires less electricity consumption at the air-cooled condenser Al.
  • Example 4 is based on calculations, and aims to show the effects in terms of heat transfer gain and pressure drop minimization of an example of a tubular charge-effluent heat exchanger insert of an installation and process according to the invention.
  • the insert's metal rods are made of carbon steel and have a circular cross-section.
  • the helical winding is clockwise relative to the insert's position at the tube inlet.
  • L1 and L2 are respectively the lengths of section SI (rigid helical metal winding) and section S2 (straight metal rod) of element 100 of the exemplified insert.
  • - pl is the pitch of the first SI section (rigid helical metal winding) of the exemplified insert
  • - el and e2 are respectively the thicknesses of sections SI and S2 of the exemplified insert.
  • the results obtained indicate a gain in heat transfer on the tube side of 111% in the case of the tube with the exemplified insert compared to the reference case of the tube without insert, which makes it possible to significantly improve the heat transfer performance of the tubular charge-effluent heat exchanger integrating the insert.

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Abstract

La présente invention concerne une installation et un procédé d'hydrotraitement ou d'hydroconversion mettant en œuvre au moins un échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire muni d'inserts.

Description

INSTALLATION ET PROCEDE D'HYDROTRAITEMENT OU D'HYDROCONVERSION AVEC ECHANGEURS DE CHALEUR TUBULAIRES MUNIS D'INSERTS
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine de l'hydrotraitement (e.g. hydrodémétallation, hydrodéazotation et/ou hydrodésulfuration de résidu ou de gasoil) et de l'hydroconversion (e.g. hydrocraquage de charges lourdes). En particulier, la présente invention porte sur l'utilisation d'inserts dans des échangeurs de chaleur tubulaires mis en oeuvre dans des unités d'hydrotraitement ou d'hydroconversion.
Technique antérieure
L'utilisation d'échangeurs de chaleur dans des unités pour l'hydrotraitement ou l'hydroconversion de charges pétrolières est connu, notamment pour réchauffer la charge mélangée à de l'hydrogène avant son envoi vers un réacteur d'hydrotraitement ou d'hydroconversion. L'échange de chaleur est classiquement réalisé dans l'échangeur de chaleur entre la charge et l'effluent hydrotraité / hydroconverti sortant du réacteur, un tel échangeur de chaleur étant communément appelé dans le domaine échangeur de chaleur « charge-effluent ».
En général, un four placé en aval de l'échangeur charge-effluent, avant l'entrée dans le réacteur, permet d'amener la charge à la température cible du réacteur requise pour la réalisation des réactions d'hydrotraitement et/ou d'hydroconversion.
Les brevets FR3075941 et FR3075942 font référence à de tels procédés d'hydrotraitement ou d'hydroconversion dans lesquels des échangeurs de chaleur charge-effluent sont utilisés, et en particulier portent sur des échangeurs de chaleur charge-effluent particuliers, dits bobinés, comportant plusieurs faisceaux de tubes enroulés de manière hélicoïdale autour d'un noyau central, en de nombreuses couches superposées, qui apportent un gain en matière d'efficacité et de coûts d'exploitation par rapport à des échangeurs de chaleur classiques de type tubes-calandre, mais qui constituent néanmoins des équipements complexes et coûteux à la fabrication.
Les échangeurs de chaleur charge-effluent classiques de type tubes-calandre (« shell and tubes » selon la terminologie anglo-saxonne) sont quant à eux connus de longue date. Les brevets US2978226, EP1113238 et EP2975353 décrivent des exemples de ce type d'échangeurs de chaleur. Des échangeurs de chaleur de type tubes-calandre bien connus sont par exemple les échangeurs de chaleur au standard BEU ou DEU qui comprennent des faisceaux de tubes d'échange en forme de U (« U-tube bundle » selon la terminologie anglo-saxonne). D'autres exemples d'échangeurs de chaleur de type tubes-calandre sont connus dans le domaine du raffinage du pétrole, comme les échangeurs de chaleur tubulaires AES comportant des tubes dans lesquels le fluide fait une seule passe. Les échangeurs de chaleur tubulaires (i.e. comprenant des tubes, par exemple des échangeurs de type tubes-calandre) de type charge-effluent utilisés dans les procédés d'hydrotraitement ou d'hydroconversion ont la particularité d'être des échangeurs de chaleur diphasiques, c'est-à-dire que le fluide côté tubes comprend deux phases, typiquement liquide et gaz. Toute augmentation de perte de charge est souvent critique pour le fonctionnement de ce type d'échangeurs de chaleur, comparativement à des échangeurs de chaleur monophasiques (i.e. le fluide côté tubes comprend une seule phase, typiquement liquide). Non seulement les pertes de charge sont généralement plus élevées dans le cas d'échangeurs de chaleur diphasiques comparativement aux monophasiques, mais ces échangeurs de chaleur charge-effluent de procédés d'hydrotraitement et/ou d'hydroconversion opèrent à haute pression, et le ou les compresseurs d'hydrogène utilisés dans ces procédés sont des équipements coûteux, conçus pour opérer à une perte de charge cible donnée qui doit être respectée par l'échangeur de chaleur charge-effluent. La variation autour de cette valeur cible de perte de charge, notamment le surcroît de perte de charge qu'on peut aussi appeler perte de charge supplémentaire ou extra-perte de charge, doit être minimale, typiquement inférieure à 10 mbar/m (1,0.10-4 MPa/m) voire moins. La contrainte de perte de charge est donc particulièrement critique pour les échangeurs de chaleur tubulaires de type charge-effluent utilisés dans les procédés d'hydrotraitement ou d'hydroconversion.
Par ailleurs, il est connu de manière générale d'utiliser des technologies d'inserts d'échangeurs de chaleur pour améliorer l'efficacité de transfert thermique et réduire l'encrassement des tubes d'échangeurs de chaleur industriels. Ces inserts peuvent être statiques ou en mouvement, typiquement en rotation, dans les tubes, peuvent avoir différentes formes, par exemple comprendre un enroulement d'un fil métallique rigide, une bande torsadée, ou un arbre central avec pales, et peuvent être fixés au tube de différentes manières, par exemple sur une seule extrémité ou à deux extrémités du tube.
L'encrassement du fait de dépôts dans les échangeurs de chaleur peut concerner de nombreux domaines, comme ceux du raffinage du pétrole, de la pétrochimie ou encore d'autres domaines de la chimie, de l'agroalimentaire ou encore de l'énergie.
Ces dépôts peuvent provenir d'impuretés présentes dans les flux liquides issus de divers procédés, et/ou provenir de la décomposition ou de la formation de produits organiques du type polymères ou hydrocarbures et de produits minéraux dans lesdits flux liquides. Il peut s'agir d'impuretés en suspension qui s'accumulent, de dépôts de sels minéraux dissous dans les flux liquides, de coke en formation ou d'espèces soufrées solubles dans des flux d'hydrocarbures. Ces dépôts peuvent être générés par des températures excessives du fluide, ou encore être issus de phénomènes de corrosion. Ces dépôts, qui s'accumulent progressivement sur les parois des tubes des échangeurs de chaleur dans le temps, nuisent aux performances des échangeurs de chaleur qui perdent ainsi en efficacité au cours du temps. Les dépôts forment une substance solide à faible conductivité thermique qui a pour effet d'isoler les parois et de diminuer les transferts thermiques dans l'échangeur, dommageable in fine pour le rendement énergétique de l'unité industrielle de traitement ou de fabrication considérée mettant en oeuvre l'échangeur de chaleur.
Une autre conséquence de la formation de ces dépôts sur les parois internes des tubes d'échangeurs peut être la provocation de débits réduits préjudiciables au bon fonctionnement du procédé situé en aval et/ou des points chauds sur la surface interne du tube. Ces restrictions et/ou points chauds peuvent entraîner une détérioration de la structure du tube et provoquer ainsi des fuites de produits qui peuvent être dangereuses pour l'exploitant et/ou le matériel. L'encrassement des tubes d'un échangeur de chaleur de type charge-effluent peut aussi créer une surconsommation du four placé en aval dudit échangeur de chaleur dans les unités d'hydrotraitement ou d'hydroconversion de charges hydrocarbonées.
Dans le domaine du raffinage du pétrole en particulier, il existe de nombreuses unités mettant en oeuvre des échangeurs de chaleur susceptibles de s'encrasser.
Le raffinage d'un pétrole brut comportant une préchauffe du pétrole brut par le résidu atmosphérique sortant chaud d'une unité de distillation atmosphérique en est un exemple. De nombreux pétroles bruts dits lourds sont très riches en composés de nature asphalténique qui peuvent former des sédiments, mais également en soufre et autres composés corrosifs et sujets à former des dépôts sur les parois internes des tubes d'échangeurs dans desquels ils circulent.
L'intégration d'inserts dans les tubes d'échangeurs de chaleur lors de la préchauffe d'un pétrole brut pour améliorer les échanges thermiques et réduire l'encrassement est ainsi connue, et par exemple décrite dans le brevet FR2569829 qui porte sur un insert de type rotatif, comporte un enroulement métallique de forme solénoïde indéformable qui est mis en rotation par le fluide circulant dans le tube. Cependant, comme il s'agit d'une préchauffe de pétrole brut ensuite envoyé dans une unité de distillation atmosphérique, les conditions de pression (pression atmosphérique) ne constituent pas une contrainte pour les échangeurs de chaleur utilisés pour la préchauffe, qui sont en outre des échangeurs monophasiques, également moins contraints en matière de perte de charge.
Un autre problème souvent rencontré dans le domaine de l'hydrotraitement ou de l'hydroconversion est lié au problème de la désactivation du catalyseur, et les stratégies mises en oeuvre pour optimiser l'utilisation du catalyseur dans le procédé. En effet, dans les procédés d'hydrotraitement ou d'hydroconversion, il est classiquement utilisé un catalyseur qui se désactive au cours du temps, notamment à cause de phénomènes d'empoisonnement du catalyseur par des métaux contenus dans la charge ou par du coke se formant dans les réacteurs. Pour pallier cette désactivation du catalyseur, une augmentation de la température des réacteurs est généralement mise en oeuvre au cours de la vie de l'unité d'hydrotraitement/hydroconversion, afin de maintenir les performances du procédé. Cela permet notamment d'augmenter la durée de cycle liée à la durée de vie du catalyseur dans le réacteur et ainsi de limiter la fréquence de remplacement du catalyseur usé par du catalyseur frais et/ou la quantité de catalyseur frais utilisé sous forme d'appoints, et les coûts associés. Cependant, il peut être difficile dans certains cas d'atteindre les niveaux de température souhaités en raison des limites techniques des équipements utilisés pour chauffer la charge comme les fours et les échangeurs de chaleur.
Un autre problème auquel sont confrontés les industriels est que les unités d'hydrotraitement ou d'hydroconversion doivent être capables de traiter des charges qui peuvent varier dans le temps, et notamment des charges qui peuvent avoir un pouvoir encrassant différent.
De manière générale, les industries du raffinage et de la pétrochimie recherchent de plus en plus activement des solutions pour réduire leur facture énergétique et leurs émissions de CO2. L'amélioration de l'efficacité énergétique des échangeurs de chaleur constitue une piste prometteuse pour atteindre ces objectifs.
La présente invention s'inscrit dans ce contexte, et porte sur l'utilisation d'inserts dans les échangeurs de chaleur à tubes de type charge-effluent de procédés d'hydrotraitement et/ou d'hydroconversion de charges hydrocarbonées.
Objectifs et Résumé de l'invention
La présente invention a pour objectif de surmonter au moins en partie les problèmes de l'art antérieur décrits ci-dessus, et vise notamment à fournir une installation d'hydrotraitement et/ou d'hydroconversion de charges hydrocarbonées intégrant au moins un échangeur de chaleur charge/effluent tubulaire, et le procédé associé, répondant à un ou plusieurs des objectifs suivants :
- réduire les émissions de CO2 du procédé, en particulier d'un procédé d'hydrotraitement de distillats moyens (diesel) qui suit un schéma dit « froid » comme défini plus loin dans la description ;
- augmenter la capacité de traitement de l'instal lation/du procédé ;
- baisser les coûts d'investissement (CAPEX) concernant les échangeurs de chaleur avec la possibilité d'utiliser des échangeurs de chaleur de plus petite taille pour une capacité de traitement donnée de l'installation/du procédé ;
- apporter de la flexibilité d'opération de l'installation et du procédé en cas de variation de la charge traitée notamment en matière de pouvoir encrassant.
Ainsi, pour atteindre au moins l'un des objectifs susvisés, parmi d'autres, la présente invention propose, selon un premier aspect, une installation d'hydroconversion ou d'hydrotraitement d'une charge hydrocarbonée, comportant :
- au moins un échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire configuré pour : préchauffer et envoyer directement la charge hydrocarbonée mélangée avec un flux d'hydrogène vers un four de charge d'une section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion, et refroidir un effluent réactionnel issu de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion, ledit échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire comportant une pluralité de tubes traversés par l'effluent réactionnel, lesdits tubes comportant un insert; - le four de charge configuré pour chauffer et envoyer le mélange charge hydrocarbonée-flux d'hydrogène préchauffé vers la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion ;
- la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion configurée pour hydrotraiter ou hydroconvertir la charge hydrocarbonée et produire l'effluent réactionnel ;
- un premier aérocondenseur configuré pour refroidir au moins une partie de l'effluent réactionnel refroidi par ledit échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire avant son envoi dans un ballon séparateur froid à haute pression;
- le ballon séparateur froid à haute pression configuré pour séparer au moins une partie de l'effluent réactionnel refroidi en un premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère et un premier effluent gazeux comprenant de l'hydrogène, et
- une colonne de séparation configurée pour séparer ledit premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère en un liquide de fond et un effluent de tête.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, l'installation comprend en outre un ballon séparateur froid à moyenne pression configuré pour séparer le premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère en un deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction légère envoyé vers la colonne de séparation (et un deuxième effluent gazeux comprenant de l'hydrogène.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, l'installation comprend en outre :
- un premier échangeur de chaleur configuré pour pré-refroidir la totalité de l'effluent réactionnel avant son envoi dans ledit échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire ;
- un deuxième échangeur de chaleur configuré pour refroidir le liquide de fond issu de la colonne de séparation, et chauffer et envoyer le deuxième effluent liquide issu du ballon séparateur froid à moyenne pression vers la colonne de séparation après chauffage supplémentaire dans ledit premier échangeur de chaleur.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, l'installation comprend en outre :
- un ballon séparateur chaud à haute pression configuré pour séparer l'effluent réactionnel refroidi issu dudit échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire en un premier effluent liquide comprenant au moins une fraction lourde et un premier effluent gazeux comprenant une fraction légère envoyé vers le ballon séparateur froid à haute pression après refroidissement dans un échangeur de chaleur à flux externe et passage dans ledit premier aérocondenseur;
- un ballon séparateur chaud à moyenne pression configuré pour séparer le premier effluent liquide comprenant au moins une fraction lourde en un deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction lourde envoyé vers la colonne de séparation, et un deuxième effluent gazeux comprenant une fraction légère envoyé vers ledit ballon séparateur froid à moyenne pression après refroidissement dans un deuxième aérocondenseur. Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire est muni d'une pluralité d'inserts fixés aux tubes dudit échangeur de chaleur charge-effluent, chaque insert comprenant un élément comportant un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige métallique comprenant plusieurs spires, de préférence l'élément comportant :
- un enchaînement de plusieurs successions d'une première section de longueur L1 comportant un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige métallique comprenant plusieurs spires et d'une deuxième section de longueur L2 comportant une tige métallique droite, et
- une première extrémité reliée à un système de fixation dudit élément à une entrée dudit tube.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, l'élément de l'insert est mobile en rotation, ladite première extrémité de l'élément étant solidaire d'une liaison mécanique du système de fixation, ladite liaison mécanique permettant la libre rotation dudit élément sur lui-même autour de l'axe (Z) dudit tube sous l'action de l'effluent réactionnel traversant ledit tube, et ledit élément mobile en rotation comportant une deuxième extrémité libre opposée à ladite première extrémité.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, l'élément mobile en rotation de l'insert comporte en outre une pièce d'entrainement en rotation positionnée entre la première extrémité dudit élément et reliée à la première section de la succession positionnée en premier dans l'enchainement, ladite pièce d'entrainement en rotation comportant un arbre coaxial à l'enroulement hélicoïdal de la première section et muni d'au moins deux pales solidaires dudit arbre.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention, l'insert comprend :
- un pas pl de l'enroulement hélicoïdal de la première section compris entre 10 mm et 50 mm ;
- une longueur L1 de la première section et une longueur L2 de la deuxième section comprises entre 50 mm et 12 000 mm ;
- une longueur totale de l'insert Li comprise entre 50% et 100 % de la longueur totale Lt du tube de l'échangeur de chaleur charge-effluent, la longueur totale du tube Lt étant comprise entre 500 mm et 6000 mm.
Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne un procédé d'hydroconversion ou d'hydrotraitement d'une charge hydrocarbonée, comportant les étapes suivantes :
- préchauffer et envoyer directement la charge hydrocarbonée mélangée avec un flux d'hydrogène vers un four de charge au moyen d'au moins un échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire comportant une pluralité de tubes traversés par un effluent réactionnel et comportant un insert dans au moins un desdits tubes ;
- chauffer et envoyer le mélange charge hydrocarbonée-flux d'hydrogène préchauffé vers une section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion au moyen du four de charge ;
- hydrotraiter ou hydroconvertir la charge hydrocarbonée dans la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion comprenant au moins un réacteur comprenant au moins un catalyseur comprenant au moins un élément choisi parmi les éléments du Groupe VIII de la classification périodique pour former l'effluent réactionnel ;
- refroidir l'effluent réactionnel de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion au moyen dudit échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire ;
- abaisser la température d'au moins une partie de l'effluent réactionnel issu de l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire au moyen d'un premier aérocondenseur avant son envoi dans un ballon séparateur froid à haute pression ;
- séparer ladite au moins une partie de l'effluent réactionnel refroidi issue du premier aérocondenseur dans le ballon séparateur froid à haute pression pour former un premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère et un premier effluent gazeux comprenant de l'hydrogène ; et
- séparer le premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère dans une colonne de séparation pour former au moins un liquide de fond et un effluent de tête.
Selon une ou plusieurs mises en oeuvre de l'invention, l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire est muni d'une pluralité d'inserts fixés aux tubes dudit échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire, chaque insert comprenant un élément comportant un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige comprenant plusieurs spires, de préférence l'élément comportant :
- un enchaînement de plusieurs successions d'une première section de longueur L1 comportant un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige comprenant plusieurs spires et d'une deuxième section de longueur L2 comportant une tige droite, et
- une première extrémité reliée à un système de fixation dudit élément à une entrée dudit tube.
Selon une ou plusieurs mises en oeuvre de l'invention, l'hydrotraitement ou l'hydroconversion de la charge hydrocarbonée est effectué avec au moins une des conditions opératoires suivantes :
- la température est comprise entre environ 200°C et environ 550°C ;
- la pression totale est comprise entre environ 1 MPa et environ 38 MPa ;
- la vitesse spatiale horaire globale de charge liquide est comprise entre environ 0,05 h 1 et environ 12 h 1
- le flux d'hydrogène comprend entre environ 50% et environ 100% volume d'hydrogène par rapport au volume du flux d'hydrogène ;
- la quantité d'hydrogène par rapport à la charge hydrocarbonée liquide est comprise entre environ 50 Nm3/m3et environ 5000 Nm3/m3
Selon une ou plusieurs mises en oeuvre de l'invention, la charge hydrocarbonée est choisie parmi :
- des charges d'origine fossile choisies parmi des gazoles, des distillats sous vide, des résidus atmosphériques, des résidus sous vide ou des effluents d'unité de Fischer-Tropsch, - des charges issues de la conversion de la biomasse choisies parmi des huiles végétales, algales, de poissons, alimentaires usagées, des graisses d'origine végétale ou animale, ou des huiles produites à partir de biomasse lignocellulosique,
- des charges issues de la conversion de déchets choisies parmi des huiles de pyrolyse de plastiques, de pneus ou encore de combustibles solides de récupération,
- et leurs mélanges.
Selon une ou plusieurs mises en oeuvre de l'invention, le ballon séparateur froid à haute pression (B-2) est opéré à une pression inférieure à la pression de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion (R-l) et/ou dans lequel la température du ballon séparateur froid à haute pression (B- 2) est comprise entre 20°C et 100°C.
Selon une ou plusieurs mises en oeuvre de l'invention, le procédé comprend en outre les étapes suivantes :
- pré-refroidir la totalité de l'effluent réactionnel de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion (R-l) au moyen d'un premier échangeur de chaleur (E-l) avant son envoi vers l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire (E-2) ;
- séparer ledit premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère issu du ballon séparateur froid à haute pression (B-2) dans un ballon séparateur froid à moyenne pression (B-4) pour former un deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction légère envoyé vers la colonne de séparation (C-l) et un deuxième effluent gazeux comprenant de l'hydrogène ;
- refroidir le liquide de fond issu de la colonne de séparation (C-l) et chauffer et envoyer vers ladite colonne de séparation (C-l) ledit deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction légère au moyen d'un deuxième échangeur de chaleur (E-4) ;
- chauffer ledit deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction légère issu deuxième échangeur de chaleur (E-4) avant son envoi vers ladite colonne de séparation (C-l) au moyen dudit premier échangeur de chaleur (E-l).
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisations particuliers de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, la description étant faite en référence aux figures annexées décrites ci-après.
Liste des figures
La figure 1 est un schéma général d'une installation pour la mise en oeuvre d'un procédé d'hydroconversion ou d'hydrotraitement selon la présente invention, dans laquelle la charge hydrocarbonée de la section réactionnelle est préchauffée par l'effluent réactionnel dans au moins un échangeur de chaleur tubulaire intégrant au moins un insert, puis est chauffée dans un four avant d'entrer dans la section réactionnelle. La figure 2, issue du schéma général de la figure 1, correspond à un schéma d'une installation pour la mise en oeuvre d'un procédé d'hydroconversion ou d'hydrotraitement selon un premier mode de réalisation de l'invention suivant un schéma dit schéma « froid ».
La figure 3, issue du schéma général de la figure 1, correspond à un schéma d'une installation pour la mise en oeuvre d'un procédé d'hydroconversion ou d'hydrotraitement selon un deuxième mode de réalisation de l'invention suivant un schéma dit schéma « chaud ».
La figure 4 représente un insert et son mode de fixation au tube d'un échangeur de chaleur monophasique, connus de l'art antérieur.
La figure 5 est une vue schématique tridimensionnelle (3D) d'un exemple d'insert intégré dans un échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire d'une installation selon l'invention.
La figure 6 représente le même insert que celui illustré à la figure 5, faisant en outre apparaitre une portion d'un tube d'échangeur de chaleur et un système de fixation de l'insert au tube.
La figure 7 représente une vue arrière d'une portion de l'insert et du tube d'échangeur de chaleur illustré aux figures 6 et 7.
La figure 8 est une vue schématique 3D d'un autre exemple d'insert intégré dans un échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire d'une installation selon l'invention.
Sur les figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues.
Description des modes de réalisation
Terminologie
Dans la présente description, le terme « comprendre » est synonyme de (signifie la même chose que) « comporter », « inclure » et « contenir », étant ainsi inclusif ou ouvert, et n'excluant pas d'autres éléments qui ne seraient pas mentionnés. Il est entendu que le terme « comprendre » inclut le terme exclusif et fermé « consister ».
Dans la présente description, l'expression « compris entre ... et ... » signifie que les valeurs limites de l'intervalle sont incluses dans la gamme de valeurs décrite, sauf spécifié autrement.
En outre, dans la présente description, les termes « essentiellement » ou « sensiblement » ou « environ » en rapport à une valeur de référence correspondent à une approximation de ± 10%, ± 5%, préférablement de ±1%, très préférablement de ± 0,5%. Il peut s'agir d'une valeur de température, pression, distance, vitesse, débit, teneur en composé(s), etc.
Dans la présente description, les différentes plages de paramètres caractérisant un dispositif donné, ou relative à une étape d'un procédé mettant en oeuvre ledit dispositif, telles que les plages relatives à des dimensions (longueurs, diamètres, etc.), des angles, des plages de pressions ou de températures, peuvent être utilisées seules ou en combinaison. Par exemple, dans le sens de la présente invention, une plage préférée de valeurs de pression peut être combinée avec une plage plus préférée de valeurs de température.
Selon la présente invention, les pressions sont des pressions absolues, encore notées abs., et sont données en MPa absolus (ou MPa abs.), sauf indication contraire.
Dans la présente description, terme «hydroconversion» fait référence à un procédé dont le but principal est de réduire la plage de point d'ébullition d'une charge hydrocarbonée, et dans lequel une partie substantielle de la charge est convertie en des produits dotés de plages de point d'ébullition plus basses que celles de la charge d'origine. L'hydroconversion implique généralement la fragmentation de molécules d'hydrocarbures plus grandes en fragments moléculaires plus petits possédant un nombre d'atomes de carbone plus petit et un rapport hydrogène sur carbone plus élevé. Les réactions mises en oeuvre pendant l'hydroconversion permettent de réduire la taille de molécules d'hydrocarbures, principalement par clivage de liaisons carbone-carbone, en la présence d'hydrogène afin de saturer les liaisons coupées et les cycles aromatiques. Le mécanisme par lequel l'hydroconversion se produit implique typiquement la formation de radicaux libres d'hydrocarbure pendant la fragmentation, principalement par craquage thermique, suivie du coiffage des terminaisons ou fragments de radicaux libres avec de l'hydrogène en la présence de sites de catalyseur actifs. Bien-sûr, pendant un procédé d'hydroconversion, d'autres réactions typiquement associées à de l'hydrotraitement peuvent se produire, comme, entre autres, l'élimination de soufre ou d'azote de la charge, ou la saturation d'oléfines, et tel que défini plus largement ci-dessous.
Le terme « hydrotraitement », couramment appelé « HDT » fait référence à une opération plus douce que l'hydroconversion, et dont le but principal est d'éliminer des impuretés telles que le soufre, l'azote, l'oxygène, des halogénures, et des traces de métaux de la charge, et de saturer des oléfines et/ou de stabiliser des radicaux libres d'hydrocarbures en les mettant à réagir avec de l'hydrogène plutôt que de les laisser réagir avec eux-mêmes. Le but principal n'est pas de changer la plage de point d'ébullition de la charge. Ainsi, l'hydrotraitement comprend notamment des réactions d'hydrodésulfuration (couramment appelé « HDS »), des réactions d'hydrodéazotation (couramment appelé « HDN ») et des réactions d'hydrodémétallation (couramment appelé « HDM »), accompagnées de réactions d'hydrogénation, d'hydrodéoxygénation, d'hydrodéaromatisation, d'hydroisomérisation, d'hydrodéalkylation, d'hydrocraquage, d'hydrodéasphaltage et de la réduction du carbone Conradson. L'hydrotraitement est mis en oeuvre le plus souvent à l'aide d'un réacteur lit fixe, bien que d'autres réacteurs puissent également être utilisés pour l'hydrotraitement, par exemple un réacteur d'hydrotraitement à lit bouillonnant.
Dans la présente description, on entend par « catalyseur » d'hydroconversion ou d'hydrotraitement un catalyseur supporté poreux mis en oeuvre dans un procédé d'hydroconversion ou d'hydrotraitement d'une charge hydrocarbonée. Dans la suite de la description, le terme « catalyseur » fait référence à un tel catalyseur d'hydroconversion ou d'hydrotraitement, sauf spécifié autrement. De tels catalyseurs comprennent typiquement (i) un support de catalyseur possédant une grande surface et de nombreux canaux ou pores interconnectés et (ii) une phase active sous la forme des particules fines d'un catalyseur actif telles que des sulfures de cobalt, de nickel, de tungstène, de molybdène, ou des sulfures mixtes de ces éléments (ex NiMo, CoMo, etc.), dispersées dans les pores. Les catalyseurs supportés sont communément produits sous forme d'extrudés cylindriques («pellets» en anglais) ou de solides sphériques, bien que d'autres formes soient possibles. Un tel catalyseur est détaillé plus loin dans la description.
Dans la présente description, les groupes d'éléments chimiques peuvent être donnés selon la classification CAS (CRC Handbook of Chemistry and Physics, éditeur CRC press, rédacteur en chef D.R. Lide, 81ème édition, 2000-2001). Par exemple, le groupe VIII (ou VII I B) selon la classification CAS correspond aux métaux des colonnes 8, 9 et 10 selon la nouvelle classification IUPAC, et le groupe Vlb selon la classification CAS correspond aux métaux de la colonne 6 selon la nouvelle classification IUPAC.
Dans la présente description, quand elles sont mentionnées, les positions « avant », « arrière », « horizontal », « vertical », etc. des différents éléments de l'insert et du tube d'échangeur de chaleur sont définies par rapport à un échangeur de chaleur tubulaire en position de fonctionnement et par rapport au sens de circulation du fluide traversant le tube d'échangeur de chaleur.
Dans la présente description, on entend par vitesse d'écoulement du fluide dans le tube, la vitesse superficielle du fluide qui s'écoule dans le tube V_SF, communément admise comme étant le rapport entre le débit volumique du fluide Q. et la section interne de tube S: V_SF = Q/S. Il en va de même pour la vitesse seuil de mise en rotation d'un insert, qui est une vitesse superficielle, plus précisément une valeur spécifique de V_SF propre à l'insert utilisé.
Dans la présente description, on entend par « rigide » en référence à l'enroulement hélicoïdal d'une tige, de préférence métallique, un enroulement qui ne se déforme pas ou quasiment pas de manière irréversible sous l'action du fluide qui met le mobile comportant ledit enroulement en rotation, dans les conditions normales de marche des tubes d'échangeur de chaleur. En particulier, ledit enroulement n'est pas ou quasiment pas déformé de manière irréversible lorsque le fluide circulant présente des variations de vitesse, de viscosité et/ou de température.
Dans la présente description, on entend par échangeur de chaleur à tubes ou échangeur de chaleur tubulaire, un échangeur de chaleur comportant au moins un tube à l'intérieur duquel circule un fluide communément appelé « fluide côté tubes » échangeant de la chaleur avec un fluide circulant à l'extérieur dudit tube. Les échangeurs de chaleur visés dans la présente invention sont classiquement les échangeurs de chaleur dits à tubes et calandre à tubes droits (rectilignes) dans lesquels le fluide côté tubes circule à l'intérieur d'un ensemble de tubes parallèles appelé faisceau tubulaire. Ces tubes sont enfermés dans une enveloppe appelée calandre. L'autre fluide appelé « fluide côté calandre » circule à l'intérieur de la calandre mais à l'extérieur des tubes. L'écoulement des fluides coté tubes et coté calandre peut être à cocourant et/ou contre-courant. Les tubes sont souvent de grande longueur, typiquement jusqu'à 6 m, et de faible diamètre pour optimiser le rapport surface/volume. Ils sont généralement pris à leurs extrémités dans les plaques perforées appelées plaques tubulaires servant au maintien desdits tubes mais aussi à la séparation des fluides, et peuvent être supportés entre les plaques tubulaires par des plaques de support intermédiaires (plaques perforées transversales aux tubes). Les tubes peuvent également avoir une forme en U, et leurs extrémités être par exemple solidaires d'une même et unique plaque tubulaire. Les échangeurs de chaleur à tubes et calandre peuvent être en une passe ou en plusieurs passes, par exemple en deux passes (le fluide côté tube traverse les tubes dans une direction, puis revient dans une direction opposée grâce à une configuration interne (comme une cloison dans un plénum, ou par le biais d'une configuration de tubes en « U »)).
Selon la présente invention, les échangeurs de chaleur tubulaires ne sont pas des échangeurs de chaleur bobinés, c'est-à-dire comportant un ou plusieurs faisceaux de tubes enroulés de manière hélicoïdale autour d'un noyau central, en de nombreuses couches superposées.
Dans la présente description, un échangeur de chaleur, tel que l'échangeur de chaleur charge-effluent, est entendu comme fonctionnant uniquement avec des fluides issus du procédé, typiquement des effluents produits aux étapes du procédé, contrairement aux échangeurs de chaleur à flux externe, entendus comme des échangeurs de chaleur dans lesquels l'un des fluides impliqués dans le transfert thermique est externe au procédé, par exemple de la vapeur d'eau externe au procédé.
Dans la présente description, on entend par le pas d'un enroulement hélicoïdal comportant plusieurs spires la définition communément admise, qui est la distance mesurée entre les centres de deux spires. Selon une représentation bidimensionnelle, il s'agit de la distance entre deux crêtes du même côté de l'axe de l'enroulement, et selon une représentation 3D, il s'agit de la longueur (distance) entre deux tours selon l'axe de révolution de la spire (ou encore distance parcourue selon l'axe de révolution de spire pour faire un tour complet).
Des modes de réalisation de l'installation et de mise en oeuvre du procédé sont décrits ci-après en détail. De nombreux détails spécifiques sont exposés afin de fournir une compréhension plus approfondie de l'invention. Cependant, il apparaîtra à l'homme du métier que l'installation et le procédé peuvent être mis en oeuvre sans nécessairement tous ces détails spécifiques. Dans d'autres cas, des caractéristiques bien connues n'ont pas été décrites en détail pour éviter de compliquer inutilement la description.
Dans la présente description, les différents modes de réalisation présentés peuvent être mis en oeuvre séparément ou en combinaison les uns avec les autres, sans limitation de combinaisons lorsque cela est techniquement réalisable. La présente invention porte sur une installation et un procédé d'hydrotraitement ou d'hydroconversion d'une charge hydrocarbonée, tels que les installations et procédés d'hydroconversion de charges lourdes, par exemple de résidus ou de gasoil sous-vide. La présente invention porte aussi sur une installation et un procédé d'hydrotraitement, tels que les installations et procédés d'hydrodémétallation, d'hydrodéazotation et/ou d'hydrodésulfuration de résidus ou de gasoil.
La présente l'invention propose ainsi une installation et un procédé d'hydrotraitement ou d'hydroconversion d'une charge hydrocarbonée comportant au moins un échangeur de chaleur charge- effluent tubulaire (E-2) muni d'inserts.
Installation / Procédé d'hydrotraitement ou d'hydroconversion
Il est d'abord fait ci-dessous référence aux figures 1 à 3 pour décrire l'installation et le procédé d'hydrotraitement ou d'hydroconversion selon l'invention.
Il sera fait plus bas référence aux figures 5 à 8 pour décrire des exemples d'inserts, non limitatifs, qui sont intégrés à l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 de l'installation.
Selon l'invention, il peut également être utilisé des inserts dans d'autres échangeurs de chaleur que l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 au sein de l'installation, tel que l'insert connu illustré à la figure 4, ou encore les mêmes types d'inserts que ceux utilisés dans l'échangeur de chaleur charge- effluent tubulaire E-2 et illustrés dans les autres figures 5-8.
L'installation d'hydrotraitement ou d'hydroconversion selon l'invention comporte au moins un échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 configuré pour préchauffer et envoyer directement la charge hydrocarbonée mélangée avec un flux d'hydrogène vers un four de charge F-l d'une section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l, et pour refroidir un effluent réactionnel issu de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l.
L'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 comprend une pluralité de tubes 10 traversés par un fluide, en l'occurrence l'effluent réactionnel, et comprend un insert dans au moins un desdits tubes, de préférence fixé à l'extrémité amont d'au moins un desdits tubes. Dans la présente description, amont et aval s'entendent par rapport au sens de circulation du fluide. L'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 est un échangeur de chaleur diphasique, c'est-à-dire configuré pour une circulation d'une phase gaz et d'une phase liquide, dans lesdits tubes.
Dans l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2, les deux fluides coté tubes et coté calandre sont diphasiques. Le fluide côté tubes de l'échangeur de chaleur E-2 comprend une phase gaz et une phase liquide : l'effluent réactionnel passant dans les tubes comprend en effet une phase liquide, et une phase vapeur comportant notamment du H2, du NH3, de l'HzS et une partie des produits vaporisés. Le mélange charge hydrocarbonée-flux d'hydrogène à chauffer, circulant côté calandre, comporte donc aussi une phase gaz, e.g. l'hydrogène gazeux, et une phase liquide, e.g. la charge hydrocarbonée. L'installation selon l'invention comporte en outre :
- le four de charge F-l configuré pour chauffer et envoyer le mélange charge hydrocarbonée-flux d'hydrogène préchauffé vers la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l ;
- la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l configurée pour hydrotraiter ou hydroconvertir la charge hydrocarbonée et produire l'effluent réactionnel ;
- un ballon séparateur froid à haute pression B-2 configuré pour séparer au moins une partie de l'effluent réactionnel refroidi en un premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère et un premier effluent gazeux comprenant de l'hydrogène ; et
- une colonne de séparation C-l configurée pour séparer ledit premier effluent liquide en au moins un liquide de fond et un effluent de tête.
En référence à la figure 1, une installation d'hydrotraitement ou d'hydroconversion selon l'invention de charges hydrocarbonées, telle que des charges hydrocarbonées d'origine fossile ou issue de la conversion de la biomasse ou de déchets, prise seule ou en mélanges, comprend :
- au moins un échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2, typiquement de type tubes-calandre, par exemple un échangeur ou un ou plusieurs trains d'échangeurs de chaleur charge-effluent tubulaire E- 2, configuré pour préchauffer un mélange de la charge hydrocarbonée (ligne 1) avec un flux d'hydrogène (ligne 4), appelé par la suite mélange charge hydrocarbonée-flux d'hydrogène (ligne 5), avec l'effluent réactionnel (ligne 8), éventuellement pré-refroidi dans un échangeur de chaleur E-l optionnel (ligne 9), issu d'une section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l ;
- un four de charge F-l configuré pour chauffer le mélange charge hydrocarbonée-flux d'hydrogène préchauffé (ligne 6) issu de l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 et envoyer le mélange charge hydrocarbonée-flux d'hydrogène chauffé (ligne 7) vers la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l ;
- la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l ;
- optionnellement un premier échangeur de chaleur E-l configuré pour pré-refroidir la totalité de l'effluent réactionnel (ligne 8) avant son envoi dans ledit échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 ;
- optionnellement un ballon séparateur chaud à haute pression B-l, dont la charge est constituée par l'effluent réactionnel refroidi après passage par l'échangeur ou le(s) train(s) d'échangeur(s) de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 (ligne 10), configuré pour séparer un premier effluent liquide comprenant au moins une fraction lourde (ligne 17) et un premier effluent gazeux comprenant une fraction légère (ligne 11), ledit premier effluent gazeux comprenant une fraction légère étant envoyé vers le ballon séparateur froid à haute pression (B-2) après refroidissement dans un échangeur de chaleur à flux externe (E-3), éventuel ajout d'eau (ligne 13) pour limiter les risques de dépôts de sels d'ammonium et donc de corrosion, et passage dans un premier aérocondenseur (A-l) ; - un ballon séparateur froid à haute pression B-2, dont la charge comprend au moins une partie de l'effluent réactionnel issu de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l et refroidi au moins après passage par l'échangeur ou le(s) train(s) d'échangeurs de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 (lignes 10, 11, 12 et 14), configuré pour séparer un premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère (ligne 20) et un premier effluent gazeux comprenant de l'hydrogène (ligne 15);
- optionnellement un échangeur de chaleur à flux externe E-3 configuré pour refroidir au moins une partie de l'effluent réactionnel (ou optionnellement le premier effluent gazeux comprenant une fraction légère provenant du ballon séparateur chaud à haute pression B-l) ;
- le premier aérocondenseur A-l pour abaisser la température d'au moins une partie de l'effluent réactionnel refroidi par l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 avant son envoi dans le ballon séparateur froid à haute pression B-2 (ou optionnellement pour condenser le premier effluent gazeux comprenant une fraction légère provenant du ballon séparateur chaud à haute pression B-l et optionnellement provenant en outre du deuxième échangeur de chaleur E-3) ;
- optionnellement un ballon séparateur chaud à moyenne pression B-3, dont la charge est le premier effluent liquide comprenant au moins une fraction lourde (ligne 17) issu du ballon séparateur chaud à haute pression B-l, et configuré pour séparer ledit premier effluent liquide comprenant une fraction lourde en un deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction lourde (ligne 21) qui est envoyé vers une colonne de séparation C-l, et un deuxième effluent gazeux comprenant une fraction légère (ligne 18) envoyé vers un ballon séparateur froid à moyenne pression (B-4) après éventuel refroidissement dans un deuxième aérocondenseur A-2 ;
- optionnellement le deuxième aérocondenseur A-2 configuré pour condenser le deuxième effluent gazeux comprenant une fraction légère (ligne 18) issu du ballon séparateur chaud à moyenne pression B- 3 et former un deuxième effluent gazeux comprenant une fraction légère condensé (ligne 19) ;
- optionnellement un ballon séparateur froid à moyenne pression B-4, configuré pour séparer le premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère (ligne 20) issu du ballon séparateur froid à haute pression B-2 (et optionnellement le deuxième effluent gazeux comprenant une fraction légère (ligne 18) issu du ballon séparateur chaud à moyenne pression B-3 (et optionnellement condensé (ligne 19) dans le deuxième aérocondenseur A-2)), en un deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction légère (lignes 22 et 24) envoyé vers la colonne de séparation C-l, et un deuxième effluent gazeux comprenant de l'hydrogène qui est soustrait dudit ballon ;
- optionnellement un deuxième échangeur de chaleur E-4 configuré pour chauffer la charge de la colonne de séparation C-l, plus précisément configuré pour chauffer et envoyer le deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction légère issu du ballon séparateur froid à moyenne pression B-4 vers la colonne de séparation C-l après chauffage supplémentaire éventuel dans le premier échangeur de chaleur E-l (ligne 22, ligne 23, et ligne 24), et pour refroidir le liquide de fond issu de la colonne de séparation C-l; - la colonne de séparation C-l (e.g. colonne de fractionnement classique ou colonne de stripage à l'aide d'un fluide ajouté par la ligne 25) pour former un liquide de fond (ligne 26) et un effluent de tête (ligne 28) à partir de l'effluent liquide (ligne 20) issu du ballon séparateur froid à haute pression B-2, optionnellement issu du ballon séparateur chaud à haute pression B-l (ligne 17), optionnellement issu du ballon séparateur chaud à moyenne pression B-3 (ligne 21), optionnellement issu du ballon séparateur froid à moyenne pression B-4 (ligne 22) ;
- optionnellement un deuxième four (non représenté) adapté pour chauffer le liquide de fond de la colonne de séparation (e.g. après passage par le deuxième échangeur de chaleur E-4) et le distribuer vers une colonne de fractionnement (non représentée) ;
- optionnellement un troisième échangeur de chaleur (non représenté) adapté pour refroidir ou chauffer le premier ou deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction lourde.
- optionnellement un troisième aérocondenseur A-3 pour condenser l'effluent de tête (ligne 28) issu de la colonne de séparation C-l et former un effluent de tête condensé (ligne 29);
- optionnellement un ballon de reflux B-5 pour séparer l'effluent de tête ou l'effluent de tête condensé en une fraction gazeuse de tête (e.g. gaz acide) (ligne 31) et une coupe liquide hydrocarbonée (e.g. naphta) (ligne 30) ;
- optionnellement une colonne de lavage aux amines C-2 permettant d'éliminer au moins une partie de l'H2S du premier effluent gazeux comprenant de l'hydrogène (ligne 15) issu du ballon séparateur froid à haute pression B-2, appelé aussi hydrogène recyclé ;
- optionnellement une première section de compression K-l de l'hydrogène recyclé et lavé aux amines (ligne 16) ;
- optionnellement une deuxième section de compression K-2 d'hydrogène d'appoint (ligne 2) formant un hydrogène d'appoint compressé (ligne 3) qui peut être mélangé avec l'hydrogène recyclé, lavé et compressé issu de la première section de compression K-l.
L'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 est disposé pour chauffer le mélange charge hydrocarbonée-flux d'hydrogène avec l'effluent réactionnel.
La charge hydrocarbonée visée par un hydrotraitement et/ou une hydroconversion peut être de nature différente.
La charge peut notamment être d'origine fossile ou issue de la conversion de la biomasse ou de déchets, prise seule ou en mélange. Les charges qui sont traitées, et en particulier celles citées ci-dessous, contiennent généralement des hétéroatomes tels que le soufre, l'oxygène et l'azote et peuvent contenir d'autres contaminants comme le fer, le titane, le silicium, le calcium, le sodium, le potassium, le chlore et l'arsenic, mais aussi, notamment pour des charges plus lourdes, du nickel et du vanadium.
La charge d'origine fossile peut être notamment une coupe issue du charbon ou des hydrocarbures produits à partir du gaz naturel, éventuellement en mélanges. Il peut aussi s'agir de coupes pétrolières ou synthétiques lourdes, par exemple des kérosènes, gasoils ou distillats issus de distillation atmosphérique et sous vide afin de produire du kérosène, du gasoil ou du distillât sous vide valorisable, soit dans l'unité de stockage recevant des produits du même type (« pool » en anglais), soit vers une unité aval comme une unité de craquage catalytique, où les charges sont « craquées » pour produire des hydrocarbures à chaînes plus courtes. Il est fréquent que le procédé d'hydrotraitement soit de fait une étape préalable de traitement d'une charge par procédé de type hydroconversion/hydrocraquage.
Les charges d'origines fossile employées dans un procédé d'hydrotraitement, de façon plus détaillée, sont par exemple des essences, des gazoles, des gazoles sous vide, des résidus atmosphériques, des résidus sous vide, des distillats atmosphériques, des distillats sous vide, des fuels lourds, des huiles, des cires et des paraffines, des huiles usagées, des résidus ou des bruts désasphaltés, des charges provenant des procédés de conversions thermiques ou catalytiques, prises seules ou en mélange.
La charge issue de la conversion de la biomasse peut avantageusement être choisie parmi les huiles végétales, les huiles d'algues ou algales, les huiles de poissons, les huiles alimentaires usagées, et les graisses d'origine végétale ou animale ; ou des mélanges de telles charges. Lesdites huiles végétales peuvent avantageusement être brutes ou raffinées, totalement ou en partie, et issues des végétaux choisis parmi le colza, le tournesol, le soja, le palmier, l'olive, la noix de coco, le coprah, le ricin, le coton, les huiles d'arachides, de lin et de crambe et toutes les huiles issues par exemple du tournesol ou du colza par modification génétique ou hybridation, cette liste n'étant pas limitative. Lesdites graisses animales sont avantageusement choisies parmi le lard et les graisses composées de résidus de l'industrie alimentaire ou issus des industries de la restauration. Les huiles de fritures, les huiles animales variées comme les huiles de poisson, le suif, le saindoux peuvent également être utilisées. La charge issue de la conversion de la biomasse peut également avantageusement être choisie parmi les esters méthyliques d'acides gras d'origine végétale et/ou animale ou encore des esters méthyliques d'acides gras de huiles végétales alimentaires usagées.
La charge issue de la conversion de la biomasse peut également être choisie parmi des charges provenant des procédés de conversions thermiques ou catalytiques de biomasse, tel que des huiles qui sont produits à partir de la biomasse, en particulier de la biomasse lignocellulosique, avec diverses méthodes de liquéfaction, telles que la liquéfaction hydrothermale ou la pyrolyse. Le terme « biomasse » fait référence à un matériau dérivé d'organismes récemment vivants, qui comprend les plantes, les animaux et leurs sous-produits. Le terme « biomasse lignocellulosique » désigne la biomasse dérivée de plantes ou de leurs sous-produits. La biomasse lignocellulosique est composée de polymères glucidiques (cellulose, hémicellulose) et d'un polymère aromatique (lignine).
La charge issue de la conversion de la biomasse peut également avantageusement être choisie parmi des charges issues de l'industrie papetière. La charge issue de la conversion de déchets peut être une huile de pyrolyse issue de plastiques, de pneus ou encore de combustibles solides de récupération (CSR). Ces huiles sont obtenues par un traitement de pyrolyse thermique, catalytique ou encore être préparée par hydropyrolyse (pyrolyse en présence d'un catalyseur et d'hydrogène).
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la charge hydrocarbonée est choisie parmi :
- des charges d'origine fossile choisies parmi des gazoles, des distillats sous vide, des résidus atmosphériques, des résidus sous vide ou des effluents d'unité de Fischer-Tropsch,
- des charges issues de la conversion de la biomasse choisies parmi des huiles végétales, algales, de poissons, alimentaires usagées, des graisses d'origine végétale ou animale, ou des huiles produites à partir de biomasse lignocellulosique,
- des charges issues de la conversion de déchets choisies parmi des huiles de pyrolyse de plastiques, de pneus ou encore de CSR,
- et leurs mélanges.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le point initial d'ébullition de la charge hydrocarbonée est supérieur à 120°C.
Dans le cas du diesel, le point initial est généralement d'environ 150°C et l'intervalle de distillation typiquement compris entre 170°C et 390°C. Dans le cas du résidu atmosphérique, le point initial est typiquement supérieur à 300°C, préférablement entre 340°C et 380°C. Dans le cas du résidu sous-vide, le point initial est typiquement entre 450°C et 600°C, préférablement entre 500°C et 550°C. Le distillât sous vide léger (Light Vacum gas oil LVGO selon la terminologie anglo-saxonne LVGO) est caractérisé par un intervalle de distillation compris entre 300°C et 430°C, préférablement entre 340°C et 400°C. Le distillât sous vide lourd (Heavy Vacum gas oil HVGO selon la terminologie anglo-saxonne) est caractérisé par un intervalle de distillation compris entre 400°C et 620°C, préférablement entre 440°C et 550°C. Les charges utilisables sont donc dans une large gamme de points d'ébullition.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la charge hydrocarbonée contient au moins 10% volume, généralement au moins 20% volume, de préférence au moins 30% volume, et souvent au moins 40% volume, voir au moins 80% volume de composés bouillant au-dessus de 340°C.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la teneur en azote de la charge hydrocarbonée est supérieure à 500 ppm poids, généralement comprise entre 500 ppm et 10000 ppm poids, de manière plus générale comprise entre 700 ppm et 4500 ppm poids et de manière encore plus générale comprise entre 800 ppm et 4500 ppm poids.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la teneur en soufre de la charge hydrocarbonée est comprise entre 0,01 et 5% poids, de manière générale comprise entre 0,2 et 4% poids et de manière encore plus générale entre 0,5 et 3% poids. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la charge hydrocarbonée contient des métaux. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la teneur cumulée en nickel et vanadium de la charge hydrocarbonée est inférieure à 20 ppm poids, de manière préférée inférieure à 10 ppm poids et de manière encore plus préférée inférieure à 5 ppm poids.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la teneur en asphaltènes de la charge hydrocarbonée est inférieure à 4000 ppm poids, de manière préférée inférieure à 1000 ppm poids, de manière encore plus préférée inférieure à 300 ppm poids.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l'effluent réactionnel de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l est constitué d'une coupe hydrocarbonée, généralement en phase mixte, comprenant de l'hydrogène, des gaz issus du craquage, et notamment de l'HzS et du NH3 issus des réactions de ladite section réactionnelle, proportionnément à la teneur en soufre et azote contenus dans la charge, éventuellement du CO2 et d'autres gaz, des coupes légères tel que les LPG (ou GPL pour gaz de pétrole liquéfié) provenant de réactions secondaires, et au moins du naphta, et éventuellement les coupes hydrocarbonées suivantes : diesel, kérosène et/ou résidu non converti, etc., en fonction de la nature de la charge et du type de réaction.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le premier effluent liquide comprenant au moins une fraction lourde comprend au moins une portion de la fraction la plus lourde de l'effluent de la section réactionnelle, comprenant du naphta, du diesel, du kérosène et/ou du résidu non converti en fonction de la nature de la charge et du type de réaction. Le premier effluent liquide comprenant au moins une fraction lourde peut également comprendre une fraction intermédiaire de l'effluent de la section réactionnelle, comprenant éventuellement du diesel, du kérosène, et/ou du naphta en fonction de la nature de la charge et du type de réaction.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le premier effluent gazeux comprenant une fraction légère comprend au moins une portion de la fraction la plus légère de l'effluent réactionnelle, comprenant de l'hydrogène, des gaz issus du craquage, et notamment de I' H2S et du NH3 issus des réactions de la section réactionnelle, proportionnément à la teneur en soufre et azote contenus dans la charge, éventuellement du CO2 et d'autres gaz, des coupes légères tel que les LPG provenant des réactions secondaires, et au moins du naphta.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère comprend une fraction de l'effluent réactionnel comprenant des coupes légères tel que les LPG provenant des réactions secondaires, et au moins du naphta.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le premier effluent gazeux comprenant de l'hydrogène comprend des gaz issus du craquage, et notamment de I' H2S issu des réactions de la section réactionnelle, proportionnément à la teneur en soufre contenue dans la charge, éventuellement du CO2. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction lourde comprend la fraction la plus lourde de l'effluent de la section réactionnelle, comprenant du diesel, du kérosène et/ou du résidu non converti en fonction de la nature de la charge et du type de réaction.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le deuxième effluent gazeux comprenant une fraction légère comprend une première fraction intermédiaire de l'effluent de la section réactionnelle, comprenant éventuellement du diesel, du kérosène, et/ou du naphta en fonction de la nature de la charge et du type de réaction.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction légère comprend la fraction la plus lourde du premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère. Le deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction légère peut également comprendre une deuxième fraction intermédiaire de l'effluent de la section réactionnelle comprenant du diesel, du kérosène, et/ou du naphta en fonction de la nature de la charge et du type de réaction.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le deuxième effluent gazeux comprenant de l'hydrogène comprend au moins une portion de la fraction la plus légère de l'effluent réactionnelle, comprenant de l'hydrogène, des gaz issus du craquage, et notamment de l'H2S issu des réactions de la section réactionnelle, proportionnément à la teneur en soufre contenu dans la charge, éventuellement du CO2 et d'autres gaz.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l'effluent de tête comprend des gaz issus du craquage, et notamment de l'H2S, éventuellement du CO2 et d'autres gaz, des LPGs, du naphta et éventuellement le fluide de stripage.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la fraction gazeuse de tête comprend des gaz issus du craquage, et notamment de l'H2S, éventuellement du CO2 et d'autres gaz, des LPGs.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la coupe liquide hydrocarbonée comprend du naphta.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le liquide de fond comprend la fraction la plus lourde de l'effluent de la section réactionnelle, comprenant diesel, kérosène et/ou résidu non converti en fonction de la nature de la charge et du type de réaction.
Dans l'installation selon la présente description, la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l peut comprendre un ou plusieurs réacteurs disposés en série ou en parallèle, par exemple deux réacteurs disposés en série. Chaque réacteur de la section réactionnelle comprend au moins un lit de catalyseur. Le catalyseur peut être mis en oeuvre en lit fixe ou en lit expansé, ou encore en lit bouillonnant. Dans le cas d'un catalyseur mis en oeuvre en lit fixe, il est possible de disposer plusieurs lits de catalyseurs dans au moins un réacteur. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l est la section réactionnelle d'une installation d'hydrocraquage.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l est la section réactionnelle d'une installation d'hydrodésulfuration de diesel ou de kérosène ou de distillât sous vide.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l est la section réactionnelle d'une installation d'hydrodésulfuration de naphta.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l est incluse dans une installation d'hydroconversion de résidu ou de distillât ou d'huile désasphaltée en lit bouillonnant.
La colonne de séparation C-l, vise notamment à éliminer les gaz issus d'un craquage (appelés généralementgaz acides), et notamment l'HzS issu des réactions de la section réactionnelle. Cette colonne est de préférence strippée au moyen de tout gaz de stripage tel que par exemple un gaz contenant de l'hydrogène ou de la vapeur. De préférence on utilise de la vapeur pour réaliser ledit stripage.
Selon le deuxième aspect, la présente description concerne également un procédé de mise en oeuvre de l'installation selon le premier aspect.
Le procédé selon l'invention, mettant avantageusement en oeuvre l'installation selon l'invention, comprend les étapes suivantes :
- préchauffer et envoyer directement la charge hydrocarbonée mélangée avec un flux d'hydrogène vers un four de charge au moyen d'au moins un échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 comportant une pluralité de tubes 10 traversés par un fluide et comportant un insert fixé à l'extrémité amont d'au moins un desdits tubes ;
- chauffer et envoyer le mélange charge hydrocarbonée-flux d'hydrogène préchauffé vers une section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l au moyen du four de charge F-l ;
- hydrotraiter ou hydroconvertir la charge hydrocarbonée dans la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l comprenant au moins un réacteur comprenant au moins un catalyseur comprenant au moins un élément choisi parmi les éléments du Groupe VIII de la classification périodique
- refroidir l'effluent réactionnel de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l au moyen dudit échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 ;
- abaisser la température d'au moins une partie de l'effluent réactionnel issu de l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 au moyen d'un premier aérocondenseur A-l avant son envoi dans un ballon séparateur froid à haute pression B-2 ; - séparer ladite au moins une partie de l'effluent réactionnel refroidi dans le ballon séparateur froid à haute pression B-2 pour former un premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère et un premier effluent gazeux comprenant de l'hydrogène ; et
- séparer le premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère dans une colonne de séparation C-l pour former au moins un liquide de fond et un effluent de tête.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 est muni d'une pluralité d'inserts fixés aux tubes dudit échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire, et chaque insert comprenant un élément 100 comportant un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige, de préférence métallique, comprenant plusieurs spires. De préférence, l'élément 100 est tel que décrit en relation avec les figures 5 à 7 ou 8, et comporte :
- un enchaînement de plusieurs successions d'une première section SI de longueur L1 comportant un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige, de préférence métallique, comprenant plusieurs spires et d'une deuxième section S2 de longueur L2 comportant une tige droite, de préférence métallique, et
- une première extrémité reliée au système de fixation 200 de l'élément 100 à une entrée du tube 110.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, le procédé comprend les étapes suivantes :
- pré-refroidir la totalité de l'effluent réactionnel de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l au moyen d'un premier échangeur de chaleur E-l avant son envoi vers l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 ;
- abaisser la température dudit effluent réactionnel refroidi issu de l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 au moyen d'un premier aéroréfrigérant A-l avant son envoi dans ledit ballon séparateur froid à haute pression B-2 ;
- séparer ledit premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère issu du ballon séparateur froid à haute pression B-2 dans un ballon séparateur froid à moyenne pression B-4 pour former un deuxième effluent liquide (comprenant au moins une fraction légère) envoyé vers la colonne de séparation C-l et un deuxième effluent gazeux comprenant de l'hydrogène ;
- refroidir le liquide de fond issu de la colonne de séparation C-l et chauffer et envoyer vers ladite colonne de séparation C-l ledit deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction légère au moyen d'un deuxième échangeur de chaleur E-4 ;
- chauffer ledit deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction légère issu deuxième échangeur de chaleur E-4 avant son envoi vers ladite colonne de séparation C-l au moyen dudit premier échangeur de chaleur E-l.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, les conditions opératoires de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l comprennent au moins une des caractéristiques suivantes :
- la température est comprise entre environ 200 et environ 550°C, de préférence entre environ 200°C et 460°C ; - la pression totale est comprise entre environ 1 MPa et environ 38 MPa, tel qu'entre 2 MPa et 20 MPa, de préférence entre 2,5 MPa et 18 MPa, et de façon très préférée entre 3 MPa et 18 MPa ;
- la vitesse spatiale horaire globale de charge liquide pour chaque étape catalytique est comprise entre environ 0,05 h-1et environ 12 h 1, et préférablement entre environ 0,1 h-1et environ 10 h 1 ;
- la pureté de l'hydrogène utilisé est comprise entre environ 50 et 100% volume par rapport au volume de l'apport d'hydrogène (i.e., mélange hydrogène recyclé/hydrogène d'appoint) ; et
- la quantité d'hydrogène par rapport à la charge hydrocarbonée liquide est comprise entre environ 50 Nm3/m3 et environ 5000 Nm3/m3, de préférence entre environ 50 Nm3/m3 et environ 2500 Nm3/m3.
Tout catalyseur connu de l'homme du métier peut être utilisé dans le procédé selon la présente description, par exemple un catalyseur comprenant au moins un élément choisi parmi les éléments du Groupe VIII de la classification périodique (groupes 8, 9 et 10 de la nouvelle classification périodique) et éventuellement au moins un élément choisi parmi les éléments du Groupe VIB de la classification périodique (groupe 6 de la nouvelle classification périodique).
Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on peut utiliser un catalyseur classique d'hydroconversion comprenant, sur un support amorphe, au moins un métal ou composé de métal ayant une fonction hydro-déshydrogénante. Ce catalyseur peut être un catalyseur comprenant des métaux du groupe VIII, par exemple du nickel et/ou du cobalt, le plus souvent en association avec au moins un métal du groupe VIB, par exemple du molybdène et/ou du tungstène. On peut par exemple employer un catalyseur comprenant de 0,5 à 10% poids de nickel (exprime en oxyde de nickel NiO) et de 1 à 30% poids de molybdène, de préférence de 5 à 20% poids de molybdène (exprime en oxyde de molybdène MoOa) par rapport au poids total du catalyseur, sur un support minéral amorphe. La teneur totale en oxydes de métaux des groupes VIB et VIII dans le catalyseur est généralement comprise entre 5 et 40% poids et préférentiellement entre 7 et 30% poids par rapport au poids total du catalyseur. Le rapport pondéral (exprime sur la base des oxydes métalliques) entre métal (métaux) du groupe VIB et métal (métaux) du groupe VIII est, en général, d'environ 20 à environ 1, et le plus souvent d'environ 10 à environ 2. Le support est, par exemple, choisi dans le groupe forme par l'alumine, la silice, les silices-alumines, la magnésie, les argiles et les mélanges d'au moins deux de ces minéraux. Ce support peut également renfermer d'autres composés et par exemple, des oxydes choisis parmi l'oxyde de bore, la zircone, l'oxyde de titane, l'anhydride phosphorique.
Un autre type de catalyseur utilisable est un catalyseur contenant au moins une matrice, au moins une zéolithe Y et au moins un métal hydro-déshydrogénant. Les matrices, métaux et éléments additionnels décrits précédemment peuvent également entrer dans la composition de ce catalyseur. Des zéolithes Y avantageuses sont décrites dans la demande de brevet WOOO/71641, ainsi que les brevets EP0911077,
US4738940 et US4738941. Selon une ou plusieurs mises en œuvre, le ballon séparateur froid à haute pression B-2, est opéré à une pression inférieure à celle de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l ou du ballon séparateur chaud à haute pression B-l, par exemple une pression plus basse de 0,1 MPa à 1,0 MPa que celle de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l ou du ballon séparateur chaud à haute pression B-l.
La température du ballon séparateur froid à haute pression B-2 est généralement la plus basse possible compte tenu des moyens de refroidissement disponibles. Ceci de façon à maximiser la pureté de l'hydrogène recyclé. La température du ballon séparateur froid à haute pression B-2 est généralement comprise entre 20°C et 100°C, de préférence entre 35°C et 70°C. Le premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère issu du ballon séparateur froid à haute pression B-2 est envoyé vers la colonne de séparation C-l, de préférence de type stripeur, de préférence équipé du ballon de reflux B-6.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, l'effluent réactionnel refroidi est envoyé vers le ballon séparateur chaud à haute pression B-l optionnel opéré à une pression inférieure, par exemple une pression plus basse de 0,1 MPa à 1,0 MPa que celle de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion R-l. La température du ballon séparateur chaud à haute pression B-l est généralement comprise entre 200°C et 450°C, de préférence entre 250°C et 380°C et de manière très préférée entre 260°C et 360°C.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, le premier effluent liquide comprenant au moins une fraction lourde issu du ballon séparateur chaud à haute pression B-l est envoyé dans une première vanne V-l ou une turbine optionnelle et dirigé vers le ballon séparateur chaud à moyenne pression B-3 optionnel dont la pression est choisie de façon à pouvoir alimenter le ballon séparateur froid à moyenne pression B-4 optionnel avec le deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction lourde issu du ballon séparateur chaud à moyenne pression B-3.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, le ballon séparateur chaud à moyenne pression B-3 est opéré à une pression comprise entre 1,0 et 5,0 MPa, de préférence entre 1,5 et 3,5 MPa. La température du ballon séparateur chaud à moyenne pression B-3 est généralement comprise entre 150°C et 380°C, de préférence entre 200°C et 360°C.
Selon une ou plusieurs mises en œuvre, le premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère issu du ballon séparateur froid à haute pression B-2 est détendu dans une deuxième vanne V-2 ou une turbine optionnelle et dirigé vers le ballon séparateur froid à moyenne pression B-4 optionnel. La pression totale du ballon séparateur froid à moyenne pression B-4 est préférentiellement celle requise pour récupérer de façon efficace l'hydrogène compris dans le deuxième effluent gazeux comprenant de l'hydrogène séparé dans ledit ballon B-4. Cette récupération de l'hydrogène est de préférence réalisée dans une unité d'adsorption par inversion de pression. La pression totale du ballon séparateur froid à moyenne pression B-4 est généralement comprise entre 1,0 MPa et 5,0 MPa, de préférence comprise entre 1,5 MPa et 3,5 MPa. La température du le ballon séparateur froid à moyenne pression B-4 est généralement comprise entre 20°C et 100°C, de préférence entre 25°C et 70°C.
Le liquide de fond (ligne 26) de la colonne de séparation C-l peut être chauffé via le quatrième échangeur de chaleur E-4 avant d'être envoyé par la ligne 27 vers une section de fractionnement (non représentée) qui permet de séparer des coupes naphta, kérosène, gasoil et un résidu.
Les inventeurs ont mis en évidence qu'il était possible de mettre en oeuvre des inserts adaptés aux échangeurs de chaleur de type charge-effluent tubulaire d'une installation d'hydrotraitement ou d'hydroconversion d'une charge hydrocarbonée, pouvant respecter des contraintes importantes en matière de perte de charge, et notamment de fonctionner avec un minimum de variation de perte de charge, et ainsi conférer les avantages suivants à l'installation et le procédé selon l'invention :
- augmenter la capacité de traitement de l'instal lation/du procédé, et/ou
- baisser les coûts d'investissement (CAPEX) concernant les échangeurs de chaleur avec la possibilité d'utiliser des échangeurs de chaleur de plus petite taille pour une capacité de traitement donnée de l'installation/du procédé, et/ou
- apporter de la flexibilité d'opération de l'installation et du procédé en cas de variation de la charge traitée notamment en matière de pouvoir encrassant.
Dans certains cas comme celui d'un schéma froid détaillé ci-dessous en relation avec la figure 2, il est en outre très avantageusement possible de préchauffer plus efficacement le mélange charge hydrocarbonée-flux d'hydrogène de sorte que la consommation requise du four de charge F-l est plus faible, limitant la consommation de CO2.
Les figures 1, 2 et 3 présentent la même numérotation pour un même équipement de l'installation d'hydrotraitement ou d'hydroconversion.
La figure 2 illustre un exemple d'un premier mode de réalisation de l'invention.
Selon ce premier mode de réalisation de l'invention, l'installation et le procédé d'hydrotraitement ou d'hydroconversion suivent un schéma dit « froid », qui est un schéma classique d'hydrotraitement des distillats moyens, dans lequel la section de séparation comportant au moins un ballon de séparation est opérée à basse température. Ce type de schéma limite les pertes d'hydrogène, notamment du fait qu'on limite le passage de l'hydrogène en phase liquide d'un point de vue thermique, comparativement à un schéma dit « chaud ». Cependant, ce type de schéma froid requiert en général une surface d'échange plus élevée, et implique une consommation plus importante du four F-l et une section de séparation plus volumineuse.
L'installation d'hydrotraitement ou d'hydroconversion selon ce premier mode de réalisation de l'invention comprend tous les éléments de l'installation décrits en relation avec la figure 1, qui ne sont pas répétés ici, et comprend en outre l'élément suivant qui n'est plus optionnel : - le ballon séparateur froid à moyenne pression B-4.
De préférence, et tel qu'illustré à la figure 2, les dispositifs suivants ne sont également plus optionnels:
- le premier échangeur de chaleur E-l, et
- le deuxième échangeur de chaleur E-4.
L'intégration d'inserts dans l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 est particulièrement avantageuse dans le cadre d'un schéma froid tel qu'appliqué par l'installation/le procédé selon ce premier mode de réalisation de l'invention.
S'il est possible selon ce premier mode de réalisation d'augmenter la capacité de traitement, de baisser les CAPEX notamment avec la possibilité d'utiliser des échangeurs de chaleur de plus petite taille pour une capacité de traitement donnée, ou encore d'apporter de la flexibilité d'opération pour traiter des charges variables pouvant conduire à un encrassement plus ou moins important, un avantage majeur de ce premier mode de réalisation réside dans la réduction des émissions de CO2. En effet, les gains sur la consommation du four de charge F-l, et éventuellement sur la consommation énergétique de l'aéroréfrigérant A-l, du fait des meilleurs échanges thermiques et de la limitation de l'encrassement, sont significatifs, et permettent de limiter des émissions de CC et donc l'impact sur l'environnement du procédé.
La figure 3 illustre un exemple d'un deuxième mode de réalisation de l'invention.
Selon ce deuxième mode de réalisation de l'invention, l'installation et le procédé d'hydrotraitement ou d'hydroconversion suivent un schéma dit « chaud », qui est également un schéma classique d'hydrotraitement de charges plus lourdes tels que les distillats moyens, dans lequel la section de séparation comporte au moins un ballon de séparation opérée à haute température. Ce type de schéma, comparativement au schéma froid, permet de réduire la surface d'échange, de diminuer la consommation du four de charge, et de traiter des charges plus lourdes. Cependant, les pertes en hydrogène du fait de sa dissolution, et par conséquent l'appoint en hydrogène sont plus importants. Le coût de l'hydrogène peut rendre ce type de procédé économiquement non viable. De manière générale, dans un schéma chaud, le ou les ballons de séparation chaud fonctionnent à la température de sortie du réacteur de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion (R-l) ainsi qu'à la pression du réacteur.
Dans ce type de schéma chaud, la performance thermique globale des échangeurs de chaleur charge/effluent est généralement verrouillée par les spécifications imposées sur l'entrée et la sortie. Une amélioration du transfert thermique du ou des échangeurs de chaleur charge-effluent tubulaire intégrant des inserts selon l'invention n'a donc globalement que peu d'impact sur la consommation énergétique du four de charge F-l, mais permet d'augmenter la capacité de traitement, et/ou de baisser les CAPEX notamment avec la possibilité d'utiliser des échangeurs de chaleur de plus petite taille pour une capacité de traitement donnée, et/ou d'apporter de la flexibilité d'opération pour traiter des charges variables d'un point de vue du pouvoir encrassant.
L'installation d'hydrotraitement ou d'hydroconversion selon ce deuxième mode de réalisation de l'invention comprend tous les éléments de l'installation décrits en relation avec la figure 1, qui ne sont pas répétés ici, les éléments suivants n'étant plus optionnels :
- le ballon séparateur froid à moyenne pression B-4,
- le ballon séparateur chaud à haute pression B-l, et
- le ballon séparateur chaud à moyenne pression B-3.
De préférence, et tel qu'illustré à la figure 3, les dispositifs suivants ne sont également plus optionnels:
- le premier échangeur de chaleur E-l,
- le deuxième échangeur de chaleur E-4,
- le deuxième aérocondenseur A-2, et
- l'échangeur de chaleur à flux externe E-3.
Inserts
Avantageusement, l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 est muni d'une pluralité d'inserts fixés aux tubes dudit échangeur de chaleur charge-effluent.
Les figures 5 à 8 illustrent des exemples d'inserts pouvant être intégrés aux tubes du ou des échangeurs de chaleur charge-effluent tubulaire E-2.
De préférence, chaque insert comprend un élément 100 comportant un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige, de préférence métallique, comprenant plusieurs spires.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, représentés aux figures 5 à 7, l'insert comporte un élément 100 comprenant un enchaînement de plusieurs successions d'une première section SI de longueur L1 comportant un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige, de préférence métallique, comprenant plusieurs spires et d'une deuxième section S2 de longueur L2 comportant une tige droite, de préférence métallique.
L'élément 100 comprend une première extrémité, avantageusement reliée à un système de fixation 200 dudit élément 100 à une entrée dudit tube 110, visible à la figure 6.
La succession constituée par une première section SI comprenant un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige comportant plusieurs spires et une deuxième section S2 comportant une tige droite est répétée n fois dans l'enchainement.
Les successions sont de préférence identiques entre elles, i.e. ont les mêmes caractéristiques géométriques (e.g. mêmes longueurs L1 et L2, pas de la première section, épaisseur des tiges etc.). Cependant, un enchaînement de successions différentes entre elles ne sort pas du cadre de la présente invention. Par exemple, la valeur de la longueur L1 et/ou L2 peut être la même d'une succession à l'autre ou être différente. Par exemple, la longueur L1 de la première section SI de la première succession dans l'enchainement peut être différente de la longueur L1 de la section SI des successions suivantes, car c'est la première section SI de la première succession qui entraine principalement en rotation le reste de l'insert.
La longueur totale de l'insert L| est essentiellement égale à la somme des longueurs L1 et L2 de toutes les successions S1/S2. La longueur Li peut être égale à n fois la somme des longueurs L1 et L2 si les longueurs L1 et L2 sont identiques d'une succession à l'autre.
Des moyens d'assemblages permanents peuvent relier la première section SI et la deuxième section S2, ainsi que les successions entre elles, pour former un élément 100 sous la forme d'une pièce unique. De tels moyens d'assemblages permanents sont par exemple des soudures ou tout autre moyen d'assemblage permanent adapté desdites pièces. Alternativement, la première section SI et la deuxième section S2, ainsi que les successions entre elles forment un élément 100 sous la forme d'une pièce unique sans moyens d'assemblage, les différentes parties étant fabriquées directement sous la forme d'une seule pièce. De manière encore alternative (non représentée), des moyens d'assemblages non permanents, de préférence démontables, tels qu'un ensemble crochet-rondelle ou tout autre moyen d'assemblage adapté, sont utilisés pour relier la première section SI et la deuxième section S2, ainsi que les successions entre elles pour former un élément 100 sous la forme de pièces distinctes raccordées de manière à être solidaires mécaniquement.
La première section SI de la succession positionnée en premier dans l'enchainement à partir de l'entrée du tube 110 prend son origine à la première extrémité de l'élément 100.
L'élément 100 peut être statique, mais est de préférence mobile en rotation, lors de son fonctionnement dans ledit tube 110 de l'échangeur de chaleur. Dans le cas où l'élément 100 est mobile en rotation, l'insert permet en outre de racler les parois du tube et de limiter encore plus la perte de charge par rapport à un insert statique, comme expliqué en détail plus bas.
Dans le cas d'un élément 100 statique, la première extrémité de l'élément 100 peut être solidaire d'une liaison mécanique du système de fixation 200 qui permet de positionner ledit élément 100 de manière axiale et fixe dans le tube 110 traversé par un fluide. La fixation de l'élément 100 statique dans le tube peut être renforcée par d'autres moyens de fixation au tube qui peuvent être situés à une deuxième extrémité opposée à ladite première extrémité et/ou le long de l'élément 100. La fixation de l'élément 100 statique peut également se faire sans moyens de fixation dédiés.
De préférence, l'élément 100 est mobile en rotation, et la première extrémité de l'élément 100 est alors solidaire d'une liaison mécanique 220 du système de fixation 200 qui permet la libre rotation dudit élément 100 sur lui-même autour de l'axe Z du tube 110 sous l'action d'un fluide traversant ledit tube 110, comme montré à la figure 6, et ledit élément mobile en rotation 100 comportant une deuxième extrémité libre opposée à ladite première extrémité.
Avantageusement, lors de son fonctionnement dans le tube d'échangeur de chaleur, la présence de l'élément 100 a pour effet d'augmenter la turbulence du fluide circulant, d'améliorer les échanges thermiques, d'homogénéiser la température du fluide circulant sur toute la section du tube, donc d'éviter la création de points chauds sur la paroi du tube et par conséquent de diminuer considérablement les risques de formation de dépôts solides et améliorer les transferts thermiques qui sont classiquement pénalisés par ce type de dépôts. L'insert, s'il est mis en rotation, permet aussi de racler les éventuels dépôts formés en paroi, et ainsi réduire l'encrassement. Indépendamment de la réduction des dépôts, les transferts thermiques sont améliorés du fait de l'augmentation de la turbulence du fluide circulant provoquée par la présence de l'insert, ce qui améliore le transfert thermique convectif. En effet, la simple présence de l'insert, et d'autant plus sa rotation lorsque l'élément 100 est mobile en rotation, permettent de créer de la turbulence qui conduit à l'augmentation de transfert thermique grâce à la réduction de l'épaisseur de le couche limite de transfert thermique et ainsi la résistance de transfert au voisinage de la paroi. Les performances en matière de transfert thermique des échangeurs de chaleur tubulaires intégrant de tels inserts sont donc améliorées, tout comme la durée de vie des échangeurs de chaleur.
Dans le cas d'un élément 100 mobile en rotation, le seuil (vitesse seuil) de mise en rotation d'un insert correspond à la vitesse superficielle minimale du fluide circulant permettant la mise en rotation de l'élément mobile de l'insert. L'élément mobile, tournant dans le sens inverse de l'enroulement hélicoïdal du ressort, avec une vitesse qui dépend de son poids, de ses caractéristiques géométriques, du débit, de la viscosité et de la densité du fluide circulant, a donc un seuil de mise en rotation qui lui est propre.
La présence d'un insert dans le tube de l'échangeur de chaleur induit une perte de charge.
Dans le cadre de la présente invention, les inserts des tubes de l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 ont la capacité de limiter la perte de charge liée au fonctionnement de l'insert, et ainsi d'être particulièrement bien adaptés à leur utilisation dans des échangeurs de chaleur tubulaires diphasiques qui peuvent avoir un fonctionnement plus contraint en matière de perte de charge, c'est-à-dire avoir un seuil de perte de charge acceptable qui soit faible, comme cela est le cas dans le domaine selon l'invention. L'insert peut notamment être dimensionné de façon à respecter les contraintes de pertes de charge d'une installation d'hydrotraitement ou d'hydroconversion existante. L'insert comportant un enchaînement de plusieurs successions d'une première section SI comportant un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige comprenant plusieurs spires suivie d'une deuxième section S2 comportant une tige droite, en particulier selon les spécificités décrites ci-après, permet de manière surprenante d'améliorer les échanges thermiques, et éventuellement réduire l'encrassement, tout en limitant la perte de charge induite par l'insert.
La perte de charge est d'autant plus réduite si l'élément 100 de l'insert est mobile en rotation. Le nombre de successions S1/S2, appelé n, est déterminé de manière à obtenir un transfert de chaleur optimal.
De préférence, n, qui est un entier positif, est compris entre 2 et 15, de préférence comprise entre 2 et 10, plus préférentiellement entre 4 et 8.
De préférence, le pas pl de la première section SI est compris entre 10 mm et 50 mm, de préférence est compris entre 20 mm et 40 mm.
Le pas peut être défini de manière générale en fonction de l'angle d'inclinaison des spires et du diamètre des spires de l'enroulement hélicoïdal rigide D, selon la relation suivante : pas = (K D)/tana.
L'angle d'inclinaison des spires a est défini par rapport à l'axe de l'enroulement confondu avec l'axe Z du tube d'échangeur dans lequel l'insert est monté. Il est fait référence à l'angle ai pour l'angle d'inclinaison des spires de la première section SI.
D'une succession S1/S2 à une autre dans l'enchainement, la longueur d'une section donnée (SI, S2) est de préférence identique. Dans ce cas, les longueurs L1 et L2 peuvent être estimée au moyen des équations
(1) et (2) ci-dessous :
(1) L1 ~ (Li / n) . (APs / (APi -APv))
(2) dans laquelle :
(3) Li : la longueur totale de l'enchainement des successions S1/S2 (soit sensiblement la longueur de l'insert selon le premier mode de réalisation),
(4) n : le nombre de successions S1/S2 de l'insert,
(5) APs : la perte de charge additionnelle maximale fixée pour un mètre de tube d'échangeur de chaleur,
(6) APi : la perte de charge générée pour un mètre de tube d'échangeur de chaleur équipé d'un insert.
(7) APi peut être calculée ou mesurée, et l'insert utilisé est un enroulement hélicoïdal rigide classique de paramètres géométriques donnés.
(8) APv: la perte de charge générée par un mètre de tube d'échangeur sans insert.
Avantageusement, la longueur L2 de la deuxième section peut s'exprimer comme suit : (2) L2 = (Li / n) - Ll
De préférence, la longueur L1 de la première section SI est comprise entre 50 mm et 12000 mm, de préférence entre 500 mm et 5000 mm.
De préférence, la longueur L2 est comprise entre 500 mm et 12000 mm, de préférence entre 500 mm et 5000 mm.
La première section SI et la deuxième section S2 sont solidaires, de même que les successions entre elles, et peuvent former un élément 100 sous la forme d'une seule pièce (une pièce unique finale), typiquement lorsque des moyens d'assemblage permanents comme des soudures relient la première section SI et la deuxième section S2 d'une part, et les successions entre elles d'autre part.
La longueur totale de l'insert est inférieure ou égale à la longueur totale du tube 110 de l'échangeur de chaleur, et de préférence comprise entre 50% et 100 % de la longueur totale du tube 110 de l'échangeur de chaleur : la longueur totale de l'insert est de préférence comprise entre Lt/2 et Lt, avec Lt la longueur du tube 110 de l'échangeur.
La longueur totale de l'insert peut être légèrement inférieure à la longueur de tube afin de prendre en compte une élongation possible liée à l'effort mécanique appliqué par le fluide et/ou dilatation thermique.
Le tube 110 de l'échangeur de chaleur E-2 peut avoir une longueur totale comprise entre 500 mm et et 6000 mm, de préférence comprise entre 1000 mm et 6000 mm.
L'enroulement hélicoïdal rigide de la première section SI a un diamètre D, qui correspond au diamètre des spires de l'enroulement.
Avantageusement, le diamètre D des spires de l'enroulement hélicoïdal rigide de la première section SI est supérieur ou égal à 80% du diamètre Dt du tube 110 de l'échangeur de chaleur, de préférence supérieur ou égale à 90 % du diamètre Dt, afin de générer une turbulence du fluide circulant optimale et éventuellement de racler les dépôts sur la paroi de tube efficacement. De préférence, le diamètre D des spires de l'enroulement hélicoïdal rigide de la première section SI est compris entre 80% et 100% du diamètre Dt du tube 110 de l'échangeur de chaleur, plus préférentiellement entre 85% et 100% du diamètre Dt. Dans le cas d'un élément 100 mobile en rotation, le diamètre D des spires de l'enroulement hélicoïdal rigide de la première section SI est de préférence compris entre 80% et 99% du diamètre Dt du tube 110 de l'échangeur de chaleur, plus préférentiellement entre 85% et 95% du diamètre Dt.
Le diamètre des tubes (diamètre interne Dt) peut être compris entre 10 mm et 100 mm, de préférence entre 10 mm et 50 mm.
Avantageusement, il existe un espace « c » entre l'enroulement hélicoïdal rigide de la section SI et la paroi interne du tube 110 de manière que ledit enroulement hélicoïdal rigide de l'élément ne touche pas la paroi du tube, dans le cas de l'insert rotatif, tel que référencé à la figure 7 représentant une vue arrière d'une portion (partie de la première section SI) de l'insert et du tube d'échangeur de chaleur E-2, afin de ne pas endommager la paroi du tube, par exemple créer des rayures qui pourraient former des irrégularités de surface pouvant favoriser des phénomènes de corrosion. Ledit espace « c » est de préférence compris entre 1 mm et 3 mm.
L'enroulement hélicoïdal rigide de la section SI peut avoir une section prenant différentes formes, et a de préférence une section circulaire ou carrée, et plus préférentiellement a une section circulaire. Dans le cas d'une section carrée ou d'une autre forme, on entend par diamètre de la section un diamètre équivalent D_eq, défini comme suit : D_eq= 4*Aire_section/périmètre de section.
La tige, de préférence métallique, formant l'enroulement hélicoïdal rigide de la section SI a un diamètre el, et la tige droite, de préférence métallique, de la deuxième section S2 a un diamètre e2. Les diamètres el et e2 sont de préférence compris entre 0,5 mm et 5 mm, plus préférentiellement compris entre 1 mm et 3 mm.
Les diamètres el et e2 peuvent être identiques ou différents. Des diamètres el et e2 identiques ont notamment pour avantage de simplifier la fabrication de l'insert.
Le sens de l'enroulement hélicoïdal rigide de la section SI, qui peut être aussi défini comme le sens du pas des spires, peut être le sens des aiguilles d'une montre, ou le sens inverse des aiguilles d'une montre (par rapport au sens de l'écoulement du fluide dans le tube, représenté par une flèche le long de l'axe Z dans les figures).
La première extrémité de l'élément 100, de préférence solidaire de la liaison mécanique 220, peut comporter un anneau la ou tout autre moyen de solidarisation à la liaison mécanique 220.
Le matériau formant l'insert peut être en acier au carbone, en acier inox ou tout autre matériau de type métal ou alliage métallique comme Inconel®, permettant de conférer à l'insert la rigidité qu'il requiert, et de préférence résistant aux hautes températures et à la corrosion. Le matériau formant l'insert est préférentiellement moins dur que le matériau du conduit du tube d'échangeur de chaleur afin d'éviter la dégradation dudit tube.
Pour les fluides très corrosifs, le matériau formant l'insert peut être enrobé d'une couche d'un matériau protecteur, typiquement une couche en polymère.
Le matériau formant l'insert peut alternativement être un matériau polymère ou composite (métal ou alliage métallique avec un matériau polymère, ou différents types de polymères, ou encore un matériau composite combinant différents types de renforts, comme des fibres, des particules, etc., avec différentes matrices, comme une matrice polymères, métallique ou céramique).
L'enroulement hélicoïdal rigide de la première section SI et la tige droite de la deuxième section S2 de l'élément sont des éléments robustes, i.e. dont le risque de cassure est faible.
Le système de fixation de l'insert au tube peut être un système de fixation traditionnel, par exemple tel que décrit dans les brevets FR2612267 et FR2639425 dans le cas d'un insert avec un élément 100 mobile en rotation. Dans ce cas, le système de fixation est avantageusement disposé suivant l'axe Z du tube d'échangeur de chaleur afin que l'élément mobile de l'insert puisse tourner autour dudit axe. Le système de fixation est typiquement positionné à l'entrée du tube, et l'élément mobile en rotation de l'insert est relié au système de fixation et positionné en aval dans le tube. Un exemple de système de fixation traditionnel 200 est représenté à la figure 6, et comporte un palier 230 et la liaison mécanique 220 typiquement formée par un tourillon rotatif. Ledit tourillon 220 est solidaire de l'élément mobile 1 de l'insert de manière que l'insert soit libre en rotation autour de l'axe Z du tube 110. Le palier 230 est composé d'une partie 230a sous la forme d'étrier, typiquement un organe monobloc en un matériau rigide apte à se déformer élastiquement, dont l'extrémité est sous la forme de deux branches permettant la fixation au conduit du tube 110, et une partie centrale 230b composée d'un orifice pour le maintien du tourillon 220. Les deux branches de la partie en forme d'étrier 230a sont séparées par une distance telle que les branches puissent être engagées à force dans une extrémité ouverte du tube 110 pour prendre appui élastiquement contre la paroi interne du tube, de manière à rendre ladite partie 230a du palier 230 rigidement solidaire du tube 110. Le tourillon 220 est composé d'une tige cylindrique rectiligne engagée dans l'orifice de la partie centrale 230b du palier 230 et une extrémité en forme de crochet 210 pouvant être accroché à l'anneau la ou tout autre moyen de solidarisation que comprend la première extrémité de l'élément 100 mobile en rotation. L'autre extrémité du tourillon 220 comporte une tête sous la forme de rondelle apte à le maintenir prisonnier du palier 230. Une rondelle anti-usure peut également être interposée entre le palier et la tête du tourillon.
Le système de fixation de l'insert au tube peut également être configuré pour que l'élément 100 de l'insert soit fixe, i.e. statique, dans l'insert (pas de rotation de l'insert). Un tel système de fixation peut comprendre différents moyens de fixation de l'élément 100 au tube, à l'entrée et/ou dans le tube, et éventuellement à la sortie du tube, par exemple, et sans être exhaustif :
- une tige transversale respectivement à l'entrée et à la sortie du tube et auxquelles est relié l'élément 100 ;
- un système de fixation traditionnel similaire à celui représenté à la figure 6 et décrit plus haut, mais sans palier et sans rotation du tourillon,
- au moins un anneau extérieur au tube et plus grand que le diamètre du tube, relié à l'élément 100.
L'insert peut également être fixé dans le tube sans système de fixation dédié, par exemple dans le cas où le diamètre de l'enroulement hélicoïdal rigide est égal au diamètre du tube, du fait de la raideur de l'enroulement hélicoïdal qui est contact de la paroi du tube et fixe l'insert dans le tube.
Chaque insert comprend avantageusement son propre système de fixation au tube, bien qu'un système de fixation commun partagé entre les inserts des autres tubes d'échangeur de chaleur E-2 puisse être utilisé.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, comme illustrés à la figure 8, l'élément 100 mobile en rotation de l'insert comporte en outre une pièce d'entrainement en rotation 300 positionnée en amont et reliée à la première section SI de la succession positionnée en premier dans l'enchainement. La pièce d'entrainement en rotation 300 est positionnée ainsi entre le système de fixation 200 et la première section SI de la première succession dans l'enchainement de l'élément 100 de l'insert. La pièce d'entrainement en rotation comporte un arbre 3a coaxial à l'enroulement hélicoïdal de la première section SI, ledit arbre étant muni d'au moins deux pales 300b solidaires de l'arbre 3a.
La pièce d'entrainement en rotation 300 comporte Nb pales, Nb étant un entier compris entre 2 à 6, de préférence entre 3 à 5.
Un tel insert a la capacité d'avoir un seuil de mise en rotation bas par rapport aux inserts rotatifs existants de type à enroulement hélicoïdal rigide. La vitesse seuil de mise en rotation de l'insert est réduite, assurant ainsi un effet mécanique dans des plages à faible vitesse d'écoulement du fluide dans le tube d'échangeur de chaleur charge-effluent, améliorant la flexibilité d'utilisation de ce type d'insert.
La pièce d'entrainement en rotation 300 a une longueur La, qui correspond sensiblement à la longueur de l'arbre 3a, et qui est de préférence comprise entre 10 mm et 500 mm, de préférence comprise entre 20 mm et 200 mm.
La longueur totale d'un tel insert est essentiellement constituée par la somme de la longueur La de la pièce d'entraînement en rotation 300 et la longueur U de l'enchainement des successions S1/S2, la longueur Li pouvant être égale à n fois la somme des longueurs L1 et L2 si les longueurs L1 et L2 sont identiques d'une succession à l'autre.
La longueur L3 d'une pale est la distance, selon l'axe Z, entre le bord d'une pale dit bord d'attaque (« leading edge » selon la terminologie anglo-saxonne) et son bord de fuite (« trailing edge » selon la terminologie anglo-saxonne). Le bord d'attaque et le bord de fuite se suivent dans le sens de circulation du fluide, le bord d'attaque faisant en premier face au fluide.
Chaque pale a un angle d'inclinaison P3, qui peut être défini entre l'axe Z et la tangente à la ligne de cambrure moyenne de la pale en un point donné de la pale. Cet angle d'inclinaison peut être variable ou fixe selon Z et/ou r dans un système de coordonnées cylindriques.
De préférence, toutes les pales sont identiques, c'est-à-dire qu'elles présentent les mêmes caractéristiques géométriques (longueur, diamètre, épaisseur, etc.).
La pièce d'entrainement en rotation 300 de l'insert est un élément robuste, i.e. dont le risque de cassure est faible.
Le matériau formant la pièce d'entrainement en rotation 300 de l'élément 100 mobile en rotation de l'insert peut être l'un de ceux déjà listés plus haut pour l'insert, et peut être identique ou différent du matériau utilisé pour l'enchainement des sections S1/S2.
L'exemple d'insert illustré à la figure 8 comporte une pièce d'entrainement en rotation 300 en forme de vis, les pales formant des spires, et le pas de chaque pale p3 (pas de révolution) est compris entre 10 mm et 50 mm, plus préférentiellement comprise entre 15 mm et 20 mm. Le pas de révolution des pales est avantageusement ajusté de manière à générer le moment nécessaire à la mise en rotation de l'insert tout en respectant la contrainte de perte de charge.
Avantageusement, la pièce d'entrainement en rotation 300 en forme de vis comporte 4 pales 300b, toutes identiques. Les pales s'enroulement autour de l'arbre 3a, tout au long de la pièce, conférant cette forme de vis à la pièce. La longueur L3 de la pièce d'entrainement en rotation 300 est également la longueur d'une pale.
Le nombre de tours (aussi appelé révolution) pour la pièce d'entrainement 300 en forme de vis est supérieur à 1, par exemple égal à 5 comme illustré la figure 8.
L'arbre 3a de la pièce d'entrainement en rotation 300 a un diamètre da3, de préférence compris entre 1 mm et environ 50% du diamètre interne du tube, typiquement compris entre 1 mm et 50 mm, plus préférentiellement compris entre 2 mm et 10 mm. Le diamètre de l'arbre 3a influe sur la section de passage de fluide, et des valeurs importantes du diamètre da3 permettent d'augmenter la vitesse superficielle du fluide. Le diamètre da3 de l'arbre 3a peut être constant selon l'axe Z, comme représenté à la figure 8. Il peut alternativement être variable selon l'axe Z.
Les pales de la pièce d'entrainement en rotation 300 ont un diamètre dr3, de préférence supérieur ou égal à 80% du diamètre Dt du tube 110 de l'échangeur de chaleur, de préférence supérieur ou égale à 90 % du diamètre Dt. De préférence, le diamètre dr3 des pales est compris entre 80% et 99% du diamètre Dt du tube 110 de l'échangeur de chaleur, plus préférentiellement entre 85% et 95% du diamètre Dt. Il existe ainsi avantageusement un espace entre l'extrémité des pales de ladite pièce 300 et la paroi interne du tube 110, de manière que les pales ne touchent pas la paroi du tube, et ainsi éviter l'endommagement la paroi du tube. Ledit espace est de préférence compris entre 1 mm et 3 mm. Cet espace est de préférence constant dans la direction de l'axe de l'arbre. Il peut cependant varier le long dudit axe, par exemple diminuer, de préférence de manière continue, de l'entrée vers la sortie du tube (dans le sens d'écoulement du fluide dans une situation de fonctionnement de l'insert).
De préférence, le diamètre dr3 des pales est compris entre 8 mm et 99 mm, de préférence entre 8,5 mm et 95 mm, plus préférentiellement compris entre 8,5 mm et 50 mm, et encore plus préférentiellement compris entre 10 mm et 25 mm. Le diamètre d'une pale est constant, comme représenté à la figure 8, ou peut varier dans la direction de l'axe de l'arbre.
Les pales ont une épaisseur e3, de préférence comprise entre 0,3 mm et 3 mm. L'épaisseur des pales doit être minimale tout permettant de respecter les contraintes mécaniques, pour réduire l'encombrement et ainsi la perte de charge.
La surface des pales est la surface formée par la jonction entre deux courbes d'hélices avec deux diamètres de révolution : da3 et dr3. L'angle d'inclinaison P3 des pales de la pièce d'entrainement représentée à la figure 6 est constant selon Z, et varie avec le rayon r selon l'équation: P3=arctan((2ît * r)/p3), le pas p3 étant constant.
L'arbre 3a et les pales peuvent être un organe monobloc (i.e. fabriqué d'un seul bloc), ou alternativement être des unités séparées fixées les unes aux autres par exemple par soudure ou tout autre moyen de fixation rigide permettant la solidarisation de l'ensemble.
La pièce d'entrainement en rotation 300 peut être reliée à l'enroulement hélicoïdal rigide de la première section SI de la succession positionnée en premier dans l'enchainement (à partir de l'entrée du tube 110) par tout moyen de solidarisation permettant la rotation conjointe dudit enroulement hélicoïdal rigide avec la pièce d'entrainement 300, et donc in fine de l'élément mobile 100, sur lui-même autour de l'axe Z sous l'action d'un fluide traversant le tube 110. Par exemple, la pièce d'entrainement en rotation 300 comporte une extrémité 3d, opposée à l'extrémité 3c, qui comporte un crochet relié à un anneau la porté par l'extrémité de l'enroulement hélicoïdal rigide de la première section SI de la succession positionnée en premier. La deuxième extrémité de l'élément 100, à la fin de l'enchaînement des successions des premières et deuxièmes sections SI et S2, est libre. Tout moyen de solidarisation adapté autre qu'un ensemble crochet-rondelle peut être utilisé pour solidariser la pièce d'entrainement en rotation 300 et la succession des sections S1/S2.
Toute autre configuration de pièce d'entrainement adaptée à réduire le seuil de mise en rotation de l'insert tout en limitant la perte de charge peut être associée à l'enchainement de l'élément 100 de l'insert intégré à l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l'installation comporte en outre au moins un échangeur de chaleur supplémentaire, différent de l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2, et pouvant être monophasique ou diphasique, comprenant une pluralité de tubes 110 traversés par un fluide et munis d'un insert.
L'insert peut être un insert connu de l'art antérieur tel qu'illustré à la figure 4, ou encore un insert similaire à ceux utilisés dans l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire E-2 tel que décrit plus haut, en particulier en référence aux figures 5-8.
La figure 4 illustre un insert rotatif comportant un enroulement métallique hélicoïdal rigide comprenant une pluralité de spires, de longueur L, de diamètre D, de pas p, d'angle d'inclinaison alpha (a) défini par rapport à l'axe central de l'enroulement confondu avec l'axe Z du tube d'échangeur dans lequel l'insert est monté, la tige métallique formant l'enroulement ayant une épaisseur e. L'enroulement métallique comporte une extrémité libre et une extrémité munie d'un anneau pour être attachée à un système de fixation au tube tel que déjà décrit en relation avec les figures 5-7. Exemples
Les exemples ci-dessous visent à montrer certains des avantages de l'installation et du procédé selon l'invention comportant des échangeurs de chaleur tubulaires de type charge-effluent tubulaire intégrant des inserts.
La charge hydrocarbonée est une coupe présentant des points d'ébullition compris entre 140°C et 375°C ayant les caractéristiques suivantes :
- Densité : 0,855
- Teneur en soufre (% poids) : 1,2
- Teneur en azote (ppm poids) : 309.
L'installation comprend deux trains de 5 échangeurs de chaleur tubulaires E-2. Les tubes sont munis d'inserts.
L'installation suit le schéma froid tel que représenté à la figure 2, détaillé ci-dessous : La charge hydrocarbonée 1 est mélangée à un flux d'hydrogène 4 puis le mélange est chauffé partiellement par l'effluent réactionnel 8 issu du réacteur d'hydrotraitement R-l dans les trains d'échangeur charge-effluent tubulaire E-2. Le reste de la chauffe est assuré par le four de charge F-l servant également au démarrage de l'unité. Une fois chauffé, le mélange charge hydrocarbonée-flux d'hydrogène est envoyé dans le réacteur d'hydrotraitement R-l. L'effluent 8 en sortie du réacteur d'hydrotraitement est refroidi en partie dans le premier échangeur de chaleur E-l qui chauffe aussi la charge 24 de la colonne de séparation C-l, puis est refroidi dans les trains d'échangeur charge-effluent tubulaire E-2, et enfin refroidi via l'aérocondenseur A-l. Une première séparation est réalisée dans le ballon séparateur froid à haute pression B-2 pour récupérer la fraction gaz contenant l'hydrogène 15 qui est purifié dans l'unité de lavage aux amines C-2, comprimé par le compresseur K-l, puis recyclé vers le réacteur d'hydrotraitement R-l (flux 4) avec un appoint d'hydrogène frais comprimé (flux 3) par le compresseur K-2. La fraction liquide 20 issue du ballon B-2 est envoyée vers un ballon séparateur froid à moyenne pression (plus basse que celle de B-2) B-4 pour récupérer la fraction liquide envoyée vers la colonne de séparation C-l et fractionner les produits d'intérêt (27, 30).
A partir des bilans matières et énergie en fin de cycle (cas « End of Run » en anglais), une partie du procédé (échangeur E-2, four F-l, aérocondenseur A-l, compresseur d'hydrogène de recycle et frais K-l et K-2) est simulé en utilisant le modèle thermodynamique Grayson Streed, dans le logiciel de simulation Aspen et le module Aspen Exchanger Design & Rating (EDR)™.
Trois exemples de simulation sont présentés ci-dessous, différant essentiellement par le gain sur le coefficient de transfert thermique et par le coefficient de résistance thermique dû à l'encrassement côté tubes qui sont pris en compte. Les résultats de ces 3 exemples sont comparés à ceux d'un même procédé dans lequel les échangeurs de chaleur tubulaires ne comprennent pas d'inserts (cas REF).
Exemple 1 (conforme à l'invention):
Dans l'exemple 1, on considère un gain sur le coefficient de transfert thermique coté tubes de 30%, soit une valeur de 1690 W/m2.K contre 1300 W/m2.K pour le cas REF (tubes nus sans inserts).
Dans l'exemple 1, aucun effet sur l'encrassement n'est pris en compte : les coefficients de résistance thermique dû à l'encrassement considérés dans les calculs sont de 0,0003 m2.K/W côté tubes et 0.0007 m2.K/W côté calandre.
Exemple 2 (conforme à l'invention) :
Dans l'exemple 2, on considère à la fois un gain sur le coefficient de transfert thermique mais également une réduction de l'encrassement liés à la présence des inserts dans les tubes.
Le gain sur le coefficient de transfert thermique coté tube pris en compte est de 30%, soit une valeur de 1690 W/m2.K, comme pour l'exemple 1.
Le coefficient de résistance thermique dû à l'encrassement pris en compte est de 0,0001 m2.K/W côté tubes, et il est de 0.0007 m2.K/W côté calandre comme pour l'exemple 1.
Exemple 3 (conforme à l'invention):
Dans l'exemple 3, on considère à la fois un gain sur le coefficient de transfert thermique mais également une réduction de l'encrassement liés à la présence des inserts dans les tubes.
Le gain sur le coefficient de transfert thermique coté tube pris en compte est de 50%, soit une valeur de 1950 W/m2.K.
Le coefficient de résistance thermique dû à l'encrassement pris en compte est de 0 m2.K/W côté tubes, et il est de 0.0007 m2.K/W côté calandre comme pour l'exemple 1.
Les résultats des exemples 1 à 3 et du cas de référence avec tube nus (cas REF) sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous. Table 1
Les exemples montrent des gains significatifs en matière de consommation énergétique et de limitation des émissions de CO2 engendrées au niveau de four de charge et de l'aérocondenseur.
Selon l'exemple 1, il est possible de limiter la consommation de fuel au niveau du four F-l d'environ 535 tonne d'équivalent pétrole (« toe » pour « ton oil equivalent » en anglais) par an, soit l'équivalent d'environ 1605 tonnes de CO2 par an évitées (-1 % par rapport au cas REF d'échangeurs E-2 sans inserts). Un gain de 34,7 1 de CO2 est également obtenu du fait que l'effluent 10 sort plus froid et nécessite une consommation d'électricité moindre au niveau de l'aérocondenseur A-l.
Selon l'exemple 2, un gain sur le transfert thermique mais également une limitation de l'encrassement sont pris en compte. Lorsque que le coefficient de résistance du à l'encrassement est réduit de 66% en plus d'un coefficient de transfert thermique côté tubes réduit de 30%, la consommation de fuel dans le four F-l est réduite d'environ 1094 tonne d'équivalent pétrole par an, soit l'équivalent d'environ 3283 tonnes de CO2 évitées (-2 % par rapport au cas REF). 71 tonnes de CO2 par an sont également évitées au niveau de l'aérocondenseur A-l.
Selon l'exemple 3, lorsque que l'introduction d'inserts permets de supprimer complètement l'encrassement côté tubes et que le gain sur le coefficient de transfert thermique côté tubes est de 50%, la consommation de fuel dans le four F-l est diminuée d'environ 1376 tonne d'équivalent pétrole par an, soit l'équivalent d'environ 4129 tonnes de CO2 évitées (-2.5 % par rapport au cas REF). 89 tonnes de CO2 par an sont également évitées au niveau de l'aérocondenseur A-l.
L'ajout d'inserts dans les échangeurs de chaleur charge-effluent tubulaires E-2 entraine une perte de pression (perte de charge « Delta P ») de l'ordre de 8 mbar/m. Le tableau 2 ci-dessous présente la perte de pression dans les échangeurs de chaleur charge-effluent tubulaires E-2 et l'augmentation de puissance du compresseur K-l nécessaire pour compenser cette perte de pression.
Table 2
L'installation d'inserts dans les échangeurs de chaleur charge-effluent tubulaires E-2 entraine une perte de pression supplémentaire qui nécessite une augmentation de puissance au niveau du compresseur K-l de l'ordre de 2,3%, ce qui correspond à une augmentation des émissions de CO2 de l'ordre de 0,121 t/an. Par rapport aux gains lié à la réduction de la consommation de fuel au niveau du four de charge F-l, ces émissions sont négligeables.
Exemple 4 (conforme à l'invention) :
L'exemple 4 ci-dessous est basé sur des calculs, et vise à montrer les effets en matière de gain en transfert thermique et de minimisation de perte de charge d'un exemple d'insert pour échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire d'une installation et d'un procédé selon l'invention.
Dans cet exemple, on compare un cas de référence d'un tube sans insert avec un cas de tube comportant un exemple d'insert tel qu'illustré à la figure 5, dans lequel l'élément 100 est fixe (statique) et comporte un enchaînement de 6 fois (n) la succession d'une première section SI de longueur L1 = 0,56 m et d'une deuxième section S2 de longueur L2 = 0,44 m. La longueur totale de l'élément 100 (et donc de l'insert) est de 6 m et correspond à la longueur du tube.
Les tiges métalliques de l'insert (enroulement hélicoïdal et tige droite) sont en acier au carbone, et ont une section circulaire. Le sens de l'enroulement hélicoïdal est celui des aiguilles d'une montre, par rapport à la position de l'insert à l'entrée du tube.
Les principaux paramètres géométriques de l'insert sont résumés dans le tableau 3 ci-dessous, qui donne aussi les résultats de perte de charge induite par la présence de l'insert dans le tube.
Les conditions d'écoulement pour les exemples sont les suivantes :
- vitesse de liquide = 0,25 m/s ;
- vitesse de gaz = 2,82 m/s. Les calculs de perte de charge et d'efficacité de transfert thermique côté tubes sont effectués pour l'insert fixe (statique).
Table 3
Dans le tableau 3 :
- D et L sont respectivement le diamètre et la longueur totale de l'insert ;
- L1 et L2 sont respectivement les longueurs de la section SI (enroulement métallique hélicoïdal rigide) et de la section S2 (tige métallique droite) de l'élément 100 de l'insert exemplifié. La succession des sections S1/S2 est répétée n=6 fois, la longueur totale de l'insert étant ainsi de 6 m;
- pl est le pas de la première section SI (enroulement métallique hélicoïdal rigide) de l'insert exemplifié ;
- el et e2 sont respectivement les épaisseurs des sections SI et S2 de l'insert exemplifié.
Pour évaluer les performances de l'insert exemplifié, on compare le transfert thermique obtenu par rapport au cas de référence du tube sans insert, et la perte de charge induite par la présence de l'insert.
Les résultats obtenus indiquent un gain en transfert thermique côté tube de 111% dans le cas du tube avec l'insert exemplifié comparativement au cas de référence du tube sans insert, ce qui permet d'améliorer significativement les performances de transfert thermique de l'échangeur de chaleur charge- effluent tubulaire intégrant l'insert.
Les résultats montrent aussi que l'insert exemplifié génère une perte de charge de 13 mbar/m, soit une perte de charge admissible additionnelle de 8 mbar/m par rapport au cas de référence du tube sans insert qui présente une perte de charge de 5 mbar/m, ce qui est bien adapté au fonctionnement d'échangeurs de chaleur charge-effluent tubulaires d'installation et de procédés d'hydrotraitement ou d'hydroconversion d'une charge hydrocarbonée selon l'invention.

Claims

Revendications
1. Installation d'hydrotraitement ou d'hydroconversion d'une charge hydrocarbonée, comportant :
- au moins un échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire (E-2) configuré pour : préchauffer et envoyer directement la charge hydrocarbonée mélangée avec un flux d'hydrogène vers un four de charge (F-l) d'une section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion (R- 1), et refroidir un effluent réactionnel issu de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion (R-l), ledit échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire (E-2) comportant une pluralité de tubes (110) traversés par l'effluent réactionnel, lesdits tubes comportant un insert;
- le four de charge (F-l) configuré pour chauffer et envoyer le mélange charge hydrocarbonée-flux d'hydrogène préchauffé vers la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion (R-l)
- la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion (R-l) configurée pour hydrotraiter ou hydroconvertir la charge hydrocarbonée et produire l'effluent réactionnel ;
- un premier aérocondenseur (A-l) configuré pour refroidir au moins une partie de l'effluent réactionnel refroidi par ledit échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire (E-2) avant son envoi dans un ballon séparateur froid à haute pression (B-2) ;
- le ballon séparateur froid à haute pression (B-2) configuré pour séparer au moins une partie de l'effluent réactionnel refroidi en un premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère et un premier effluent gazeux comprenant de l'hydrogène, et
- une colonne de séparation (C-l) configurée pour séparer ledit premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère en un liquide de fond et un effluent de tête.
2. Installation selon la revendication 1, comprenant en outre un ballon séparateur froid à moyenne pression (B-4) configuré pour séparer le premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère en un deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction légère envoyé vers la colonne de séparation (C-l) et un deuxième effluent gazeux comprenant de l'hydrogène.
3. Installation selon la revendication 2, comprenant en outre :
- un premier échangeur de chaleur (E-l) configuré pour pré-refroidir la totalité de l'effluent réactionnel (8) avant son envoi dans ledit échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire (E-2) ;
- un deuxième échangeur de chaleur (E-4) configuré pour refroidir le liquide de fond issu de la colonne de séparation (C-l), et chauffer et envoyer le deuxième effluent liquide issu du ballon séparateur froid à moyenne pression (B-4) vers la colonne de séparation (C-l) après chauffage supplémentaire dans ledit premier échangeur de chaleur (E-l).
4. Installation selon la revendication 2, comprenant en outre :
- un ballon séparateur chaud à haute pression (B-l) configuré pour séparer l'effluent réactionnel refroidi issu dudit échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire (E-2) en un premier effluent liquide comprenant au moins une fraction lourde et un premier effluent gazeux comprenant une fraction légère envoyé vers le ballon séparateur froid à haute pression (B-2) après refroidissement dans un échangeur de chaleur à flux externe (E-3) et passage dans ledit premier aérocondenseur (A-l);
- un ballon séparateur chaud à moyenne pression (B-3) configuré pour séparer le premier effluent liquide comprenant au moins une fraction lourde en un deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction lourde envoyé vers la colonne de séparation (C-l), et un deuxième effluent gazeux comprenant une fraction légère envoyé vers ledit ballon séparateur froid à moyenne pression (B-4) après refroidissement dans un deuxième aérocondenseur (A-2).
5. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire (E-2) est muni d'une pluralité d'inserts fixés aux tubes dudit échangeur de chaleur charge-effluent, chaque insert comprenant un élément (100) comportant un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige, de préférence métallique, comprenant plusieurs spires, de préférence l'élément (100) comportant :
- un enchaînement de plusieurs successions d'une première section (SI) de longueur L1 comportant un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige, de préférence métallique, comprenant plusieurs spires et d'une deuxième section (S2) de longueur L2 comportant une tige droite, de préférence métallique, et
- une première extrémité reliée à un système de fixation (200) dudit élément (100) à une entrée dudit tube (110).
6. Installation selon la revendication 5, dans laquelle l'élément (100) de l'insert est mobile en rotation, ladite première extrémité de l'élément (100) étant solidaire d'une liaison mécanique du système de fixation (200), ladite liaison mécanique permettant la libre rotation dudit élément (100) sur lui-même autour de l'axe (Z) dudit tube (110) sous l'action de l'effluent réactionnel traversant ledit tube (110), et ledit élément mobile en rotation (100) comportant une deuxième extrémité libre opposée à ladite première extrémité.
7. Installation selon la revendication 6, dans laquelle l'élément (100) mobile en rotation de l'insert comporte en outre une pièce d'entrainement en rotation (300) positionnée entre la première extrémité dudit élément (100) et reliée à la première section (SI) de la succession positionnée en premier dans l'enchainement, ladite pièce d'entrainement en rotation comportant un arbre (3a) coaxial à l'enroulement hélicoïdal de la première section (SI) et muni d'au moins deux pales (300b) solidaires dudit arbre (3a).
8. Installation selon l'une quelconque des revendications 5 à 1 , dans laquelle l'insert comprend :
- un pas pl de l'enroulement hélicoïdal de la première section SI compris entre 10 mm et 50 mm ;
- une longueur L1 de la première section (SI) et une longueur L2 de la deuxième section (S2) comprises entre 50 mm et 12000 mm ;
- une longueur totale de l'insert L| comprise entre 50% et 100 % de la longueur totale Lt du tube de l'échangeur de chaleur charge-effluent, la longueur totale du tube Lt étant comprise entre 500 mm et 6000 mm.
9. Procédé d'hydrotraitement ou d'hydroconversion d'une charge hydrocarbonée, comportant les étapes suivantes :
- préchauffer et envoyer directement la charge hydrocarbonée mélangée avec un flux d'hydrogène vers un four de charge au moyen d'au moins un échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire (E- 2) comportant une pluralité de tubes (110) traversés par un effluent réactionnel et comportant un insert dans au moins un desdits tubes ;
- chauffer et envoyer le mélange charge hydrocarbonée-flux d'hydrogène préchauffé vers une section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion (R-l) au moyen du four de charge (F- 1) ;
- hydrotraiter ou hydroconvertir la charge hydrocarbonée dans la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion (R-l) comprenant au moins un réacteur comprenant au moins un catalyseur comprenant au moins un élément choisi parmi les éléments du Groupe VIII de la classification périodique pour former l'effluent réactionnel ;
- refroidir l'effluent réactionnel de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion (R-l) au moyen dudit échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire (E-2) ;
- abaisser la température d'au moins une partie de l'effluent réactionnel issu de l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire (E-2) au moyen d'un premier aérocondenseur (A-l) avant son envoi dans un ballon séparateur froid à haute pression (B-2) ;
- séparer ladite au moins une partie de l'effluent réactionnel refroidi issue du premier aérocondenseur (A-l) dans le ballon séparateur froid à haute pression (B-2) pour former un premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère et un premier effluent gazeux comprenant de l'hydrogène ; et
- séparer le premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère dans une colonne de séparation (C-l) pour former au moins un liquide de fond et un effluent de tête.
10. Procédé d'hydroconversion ou d'hydrotraitement selon la revendication 9, dans lequel l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire (E-2) est muni d'une pluralité d'inserts fixés aux tubes dudit échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire, chaque insert comprenant un élément (100) comportant un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige, de préférence métallique, comprenant plusieurs spires, de préférence l'élément (100) comportant :
- un enchaînement de plusieurs successions d'une première section (SI) de longueur L1 comportant un enroulement hélicoïdal rigide d'une tige, de préférence métallique, comprenant plusieurs spires et d'une deuxième section (S2) de longueur L2 comportant une tige droite, de préférence métallique, et
- une première extrémité reliée à un système de fixation (200) dudit élément (100) à une entrée dudit tube (110).
11. Procédé d'hydroconversion ou d'hydrotraitement selon la revendication 9 ou la revendication 10, dans lequel l'hydrotraitement ou l'hydroconversion de la charge hydrocarbonée est effectué avec au moins une des conditions opératoires suivantes :
- la température est comprise entre environ 200°C et environ 550°C ;
- la pression totale est comprise entre environ 1 MPa et environ 38 MPa ;
- la vitesse spatiale horaire globale de charge liquide est comprise entre environ 0,05 h 1 et environ 12 h 1 ;
- le flux d'hydrogène comprend entre environ 50% et environ 100% volume d'hydrogène par rapport au volume du flux d'hydrogène ;
- la quantité d'hydrogène par rapport à la charge hydrocarbonée liquide est comprise entre environ 50 Nm3/m3 et environ 5000 Nm3/m3.
12. Procédé d'hydroconversion ou d'hydrotraitement selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel la charge hydrocarbonée comprend un point d'ébullition initial supérieur à 120°C.
13. Procédé d'hydroconversion ou d'hydrotraitement selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, dans lequel la charge hydrocarbonée est choisie parmi :
- des charges d'origine fossile choisies parmi des gazoles, des distillats sous vide, des résidus atmosphériques, des résidus sous vide ou des effluents d'unité de Fischer-Tropsch,
- des charges issues de la conversion de la biomasse choisies parmi des huiles végétales, algales, de poissons, alimentaires usagées, des graisses d'origine végétale ou animale, ou des huiles produites à partir de biomasse lignocellulosique,
- des charges issues de la conversion de déchets choisies parmi des huiles de pyrolyse de plastiques, de pneus ou encore de combustibles solides de récupération,
- et leurs mélanges.
14. Procédé d'hydroconversion ou d'hydrotraitement selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, dans lequel le ballon séparateur froid à haute pression (B-2) est opéré à une pression inférieure à la pression de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion (R-l) et/ou dans lequel la température du ballon séparateur froid à haute pression (B-2) est comprise entre 20°C et 100°C.
15. Procédé d'hydroconversion ou d'hydrotraitement selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, comprenant en outre les étapes suivantes :
- pré-refroidir la totalité de l'effluent réactionnel de la section réactionnelle d'hydrotraitement ou d'hydroconversion (R-l) au moyen d'un premier échangeur de chaleur (E-l) avant son envoi vers l'échangeur de chaleur charge-effluent tubulaire (E-2) ;
- séparer ledit premier effluent liquide comprenant au moins une fraction légère issu du ballon séparateur froid à haute pression (B-2) dans un ballon séparateur froid à moyenne pression (B-4) pour former un deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction légère envoyé vers la colonne de séparation (C-l) et un deuxième effluent gazeux comprenant de l'hydrogène ; - refroidir le liquide de fond issu de la colonne de séparation (C-l) et chauffer et envoyer vers ladite colonne de séparation (C-l) ledit deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction légère au moyen d'un deuxième échangeur de chaleur (E-4) ;
- chauffer ledit deuxième effluent liquide comprenant au moins une fraction légère issu deuxième échangeur de chaleur (E-4) avant son envoi vers ladite colonne de séparation (C-l) au moyen dudit premier échangeur de chaleur (E-l).
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