Variables de Fonctionnement Des Colonnes à Soutirages Multiples

Raffinage-Pétrochimie-Chimie-Ingénierie ———

GÉNIE CHIMIQUE APPLIQUÉ Raffinage - Pétrochimie - Chimie Lourde

VARIABLES DE FONCTIONNEMENT DES COLONNES À SOUTIRAGES MULTIPLES

I - POIN POINTS TS DE CO COUP UPEE DES DES PR PROD ODUI UITS TS DA DANS NS LES LES COL COLON ONNE NESS À SOUTIRAGES MULTIPLES................................................................................................... 1 1 - Représentatio Représentationn d’une d’une charge charge complexe complexe .......... ............... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........ ... 1 2 - Définition Définition des points points de coupe coupe .......... ............... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... 2 3 - Points de coupe coupe et et caractér caractéristiqu istiques es des des pr produits........ oduits............. .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ....... 3

II - POINTS POINTS DE COUPE COUPE ET SYSTÈME SYSTÈMESS DE RÉGULATI RÉGULATION ON... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ........ ........ ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 4 1 - Débit de coupe de tête : point point de coupe essence essence de tête-kérosèn tête-kérosènee .......... ............... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... .... 4 2 - Débit Débit de sout soutira irages ges laté latérau rauxx : point pointss de coup coupee essenc essence-k e-kéro érosèn sène, e, kkéros érosène ène-ga -gazole zole léger, léger, gazole léger, gazole lourd et gazole lourd résidu atmosphérique .............................. ............................................ ............................. .................. ... 8 3 - Débit de ré résidu sidu atmosphérique atmosphérique - Bilan Bilan matière matière global.......... global.............. ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... ......... 8

III - MODIFICATI MODIFICATION ON DES POINTS POINTS DE COUPE DES PRODUITS PRODUITS...... ........... ........... ........... ........... .............. .............. ............ .......... 9 1 - Modifi Modificat cation ion de la consigne consigne d'un un régulat régulateur eur fixan fixantt le débit de coupe coupe de tête ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 9 2 - Modifi Modificat cation ion de la consigne consigne d'un régulat régulateur eur de débit débit d'un soutira soutirage ge latéral latéral ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 10

IV - CHANGEMENT CHANGEMENT D'UN SEUL POINT DE COUPE ..... ........... ........... ........... ........... .............. .............. ........... ........... ........... ........... ......... .... 12 1 - Changement Changement de point de coupe entre essence essence et et kérosène kérosène.... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... .... 12 2 - Changement Changement de point de coupe entre deux soutirages soutirages latéraux latéraux .......... ............... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... ........ ... 13

V - PARA PARAMÈ MÈTR TRES ES DÉT DÉTER ERMI MINA NANT NT LE LE POUV POUVOI OIR R DE SÉ SÉPA PARA RATI TION ON DANS LES DIFFÉRENTES ZONES ZONES DE LA COLONNE COLONNE ......................................................... 15 1 2 3 4 5 6 7 8

-

Séparations Séparations réalisées réalisées dans les colonnes colonnes à soutirages soutirages multiples..... multiples.......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... ........ ... 15 Contrôle Contrôle de séparations...... séparations........... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ......... .... 16 Trafics Trafics liquideliquide-vap vapeur eur dans une colonne colonne de distil distillat lation ion atmosphé atmosphériqu riquee ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 17 Variation Variation des des trafics trafics liquide-vapeur liquide-vapeur ......... .............. ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... ..... 17 Variables Variables d’action d’action sur le pouvoir pouvoir de séparati séparation on ......... .............. .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ....... 19 Modification Modification de la température température d’entrée d’entrée du brut dans la colonne........... colonne................ .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... ....... 20 Modification Modification des débits de chaleur extraits extraits par les reflux circulants....... circulants............ .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ....... 21 Cas de réglage réglage du pou pouvoi voirr de de sépa séparat ration ion dan danss une une colonne colonne de distil distillat lation ion à soutirages multiples ............................ ........................................... .............................. .............................. .............................. .............................. .............................. ........................ ......... 24

VI - PRESSION PRESSION DE FONCTIONNE FONCTIONNEMENT MENT ...... ........... ........... ........... ........... .............. .............. ............ ........... ........... ........... ........... ........... ........... .......... .... 27 VII - CARACTÉRIS CARACTÉRISTIQUE TIQUESS DES BRUTS TRAITÉS TRAITÉS ..... ........... ........... ........... ........... ............. .............. ........... ........... ........... ........... ........... ......... 28 En annexe : Planche n°1 : Distillation atmosphérique Planche n°2 : Distillaion sous-vide Planche n°3 : Colonne de fractionnement principal de FCC

DT STM - 00829_B_F - Rév. 2

29/06/2004 © 2004 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

1

I - POINTS POINTS DE COUPE DES PRODUITS PRODUITS DANS LES COLONNES COLONNES À SOUTI SOUTIRAGES RAGES MULTIPLES 1-

REPR RE PRÉS ÉSEN ENTA TATI TION ON D’UN D’UNEE C CHA HARG RGEE C COM OMPL PLEX EXEE Toutes les raffineries modernes comportent plusieurs colonnes de distillation à soutirages multiples. Celles-ci traitent des charges variées qui peuvent être : - des pétroles bruts purs ou en mélange dans les colonnes de distillation atmosphérique - des résidus de distillation atmosphérique dans des colonnes de distillation sous-vide - des mélanges complexes d'hydrocarbures effluents de traitements de conversion comme le craquage catalytique, l'hydrocraquage, la viscoréduction qui sont séparés dans des colonnes de fractionnement s'apparentant plus ou moins nettement soit à la distillation atmosphérique, soit à la distillation sous-vide Les pétroles bruts sont constitués d'un très grand nombre de constituants dont l'identification n'est possible que pour les fractions les plus volatiles. Si, en effet, les hydrocarbures légers, de C 1 à C 5 environ peuvent être repérés facilement par une analyse chromatographique, chromatographique, il n'en n'est plus de même pour des hydrocarbures plus lourds. 0 10

C1 C2 C3 C4 C5

hydrocarbures légers identifiés

La caractérisation de la composition d'un pétrole brut fait alors appel à la distillation TBP qui permet de repérer les constituants de cette charge par leur température d'ébullition normale. Cette analyse aboutit donc à une caractérisation du produit traité par la correspondance composition - température d'ébullition normale.

100 20 200 30 300 40

400

50

500

60

600 700

70

Hydrocarbures moyens et lourds repérés par leur température d'ébullition

80 A 4 2 0 2 D C P D

90

teb C °

00829_B_F

Le résultat de l’analyse peut être représenté par une bande rectangulaire figurant la charge à laquelle on associe des échelles de température d'ébullition et de composition.

100

Le schéma ci-contre illustre cette représentation. Les températures d'ébullition sont croissantes de haut en bas. Les produits de la distillation vont donc apparaître sur ce diagramme de haut en bas par volatilités décroissantes.

% masse sur brut

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2

2-

DÉFI DÉ FINI NITI TION ON DE DESS POI POINT NTSS DE DE COU COUPE PE Appliquée à la séparation d'un pétrole brut dans une colonne de distillation atmosphérique, la représentation précédente permet d'illustrer le bilan matière de l'installation. Par volatilités décroissantes, le pétrole brut est en effet partagé en différentes coupes pétrolières par exemple celles dont la liste est indiquée ci-après : -

gaz gaz + esse essenc ncee ou ou cou coupe pe de tête tête kérosène gazole lé léger gazole lo lourd rési résidu du atmo atmosp sphé héririqu quee

Les rendements obtenus pour chacune de ces coupes peuvent être positionnés dans cet ordre de volatilité sur la bande rectangulaire précédente. Cela délimite alors entre chaque coupe une frontière théorique représentée par un segment horizontal qui définit, dans l'échelle des températures d'ébullition, des températures frontières appelées températures de point de coupe ou tout simplement points de coupe TBP. Le schéma ci-dessous illustre cette définition dans le cas du fractionnement précédent et fait apparaître les quatre points de coupe TBP notés t 1 à t4 : -

t 1 point de coupe entre essence et kérosène kérosène se se situe habituellement vers 145-185°C

-

t 2 se situe vers 220-230°C 2 entre kérosène et gazole léger se

-

t 3 entre gazole léger et gazole lourd est de l'ordre de 300°C selon la nature du brut et la qualité recherchée pour la coupe gasoil t 4 point de coupe entre gazole lourd et résidu traduit l'épuisement obtenu dans la distillation atmosphérique. atmosphérique. Il se situe par exemple vers 360-380°C

-

0 10

t1

20

t2

30 40

t3 t4

50

Coupe de tête (gaz + essence)

Rendement en coupe de tête (gaz + essence) Rendement kérosène Rendement gazole léger Rendement gazole lourd

Kérosène T U R B

Gazole léger

60

Brut

70 80

Gazole lourd

Rendement résidu atmosphérique

90

teb C °

00829_B_F

Résidu atomosphérique

100

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A 5 2 0 2 D C P D

3

3-

POINTS DE COUPE ET CARACTÉRISTIQUES DES PRODUITS Dans la pratique industrielle, les caractéristiques des charges traitées dans les colonnes de distillation à soutirages multiples sont en général inconnues. En conséquence la connaissance des points de coupe pratiqués fait appel à l'analyse des produits. Les résultats de certains essais normalisés sont en effet très sensibles aux variations de points de coupe et constituent un bon moyen de contrôle. Ces essais peuvent être mis en œuvre sous la forme d'analyseurs en continu qui renseignent très rapidement l’opérateur sur les conditions de réglage de l'installation. - t1 point de coupe entre essence de tête et la coupe kérosène est directement lié au point final ou au point 95 % de distillation ASTM de l'essence de tête. Un accroissement du rendement en coupe de tête conduit ainsi à une valeur de t 1 plus élevée et à une élévation des températures de fin de distillation ASTM - t2 point de coupe entre kérosène et gazole léger peut être repéré également par la distillation ASTM mais aussi par les caractéristiques de tenue au froid du kérosène. La température du point de disparition des cristaux (freezing point) est une indication de la frontière kérosène-gazole léger même si cette caractéristique est également influencée par le point de coupe entre essence et kérosène - t3 point de coupe entre les deux coupes gazoles, de même que t4 point de coupe entre gazole lourd et résidu atmosphérique sont caractérisés par les points finaux de distillation ASTM et par les propriétés de tenue au froid : point de trouble particulièrement. Comme le "freezing point" le point de trouble n'est pas influencé uniquement par la température du point de coupe la plus élevée mais aussi par la température la plus basse Il est à signaler également que t 4 est en relation avec les caractéristiques du résidu : viscosité et surtout densité. Les caractéristiques des produits ne dépendent pas uniquement du bilan matière c'est-à-dire des points de coupe pratiqués. Deux facteurs complémentaires vont influencer la qualité des produits : - le pouvoir de séparation mis en œuvre dans chaque zone de la colonne de distillation qui détermine les qualités de séparation ou de triage entre chaque coupe. Cela a une influence sur les courbes de distillation ASTM. À rendements constants, c'est-à-dire à points de coupe constants on voit qu'un changement du pouvoir de séparation peut modifier le point final ou le point initial ASTM d'une coupe. Cet effet est toutefois beaucoup moins marqué que celui dû aux modifications de bilan matière - l'efficacité du strippage qui influence la teneur en composés volatils dans les coupes soutirées et modifie leurs points d'éclair ainsi que le début de leur courbe de distillation ASTM En résumé, les points de coupe sont essentiellement caractérisés par les analyses suivantes : • point de coupe essence-kérosène

PF ASTM essence - Point d'éclair kérosène

• point de coupe kérosène-gazole léger

PF ASTM kérosène - Freezing point kérosène, tenue au froid gazole léger

• point de coupe gazole léger - gazole lourd PF ASTM gazole léger, tenue au froid gazole léger, tenue au froid gazole lourd • point de coupe gazole lourd - résidu

00829_B_F

PF ASTM gazole lourd, tenue au froid gazole lourd, densité, viscosité résidu

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4

II -

POINTS DE COUPE ET SYSTÈMES DE RÉGULATION On sait que, pour une charge donnée, les débits des produits à la sortie de la colonne de distillation fixent les rendements, donc les points de coupe. Ce sont donc finalement les systèmes de régulation déterminant les débits des produits qui permettent de modifier et d'ajuster les points de coupes pratiqués. On rencontre différents systèmes de régulation influençant les débits des produits soutirés. Ceux-ci font appel souvent à des régulations de débit mais aussi à des régulations de température. Un exemple d'équipement de régulation très utilisé dans les colonnes de distillation atmosphérique est représenté sur la planche n°1 en annexe. La planche n°2 présente un exemple de schéma de régulation d’une colonne de distillation sous-vide et la planche n°3 celui d’une colonne de fractionnement des effluents de la section catalytique d’un FCC . Quelques exemples de systèmes de régulation utilisés pour les colonnes de distillation atmosphérique sont présentés ci-après.

1-

DÉBIT DE COUPE DE TÊTE : POINT DE COUPE ESSENCE DE TÊTE-KÉROSÈNE a - Mise en œuvre d'une régulation de température La coupe de tête est le produit le plus léger obtenu dans la distillation. Elle sort à l'état vapeur en tête de colonne ou du ballon intermédiaire dans le cas d'un système de condensation à deux étapes. Le principe le plus utilisé consiste donc à contrôler la température de rosée de cette coupe ce qui détermine son rendement et donc le point de coupe t 1e ntre essence et kérosène. Il existe différentes versions de ce système se traduisant par une position différente du TRC selon la configuration de la tête de la colonne. Le TRC est placé en tête de colonne si la condensation est à une étape, sur le ballon de reflux si elle est à deux étapes. Ce régulateur de température fait varier le débit de reflux interne dans la colonne en agissant soit directement sur le reflux externe, soit sur le reflux circulant de tête pour moduler le débit de reflux induit par ce dernier. Différents schémas pratiqués dans l’industrie sont représentés ci-après : • Condensation en une étape - Variable d'action : reflux externe

TRC

La température de tête est la température de rosée de la coupe gaz + essence sous la pression partielle des hydrocarbures sortant en tête de colonne.

LRC

Elle est maintenue par action sur le débit de reflux externe. Eau

Une augmentation de la consigne du TRC :

FRC

COUPE GAZ + ESSENCE

00829_B_F

E 6 2 0 2 D C P D


- réduit le débit de reflux - accroît le débit et donc le rendement de coupe gaz + essence - augmente le point final de l’essence

5

• Condensation en une étape - variable d'action : reflux circulant de tête

La température de tête est la température de rosée de la coupe de tête sous sa pression partielle en tête de colonne. Le régulateur de la température de tête agit sur le débit de chaleur extrait par le reflux circulant de tête par l’intermédiaire du bipasse des échangeurs.

TRC LRC

Eau

GAZ + ESSENCE

B 6 2 0 2 D C P D

Une augmentation de la consigne du TRC conduit à : -

l’ouverture de la vanne de bipasse une réduction de la condensation de reflux induit par le reflux circulant de tête une augmentation du débit de vapeur de tête et du débit de coupe de tête un accroissement du point final de l’essence

• Condensation en deux étapes - variable d'action : condenseur de reflux chaud

La température du ballon, faisant l’objet de régulation, est la température de rosée de la coupe de tête sous sa pression partielle. Elle est maintenue par action sur le premier condenseur et par l’ajustement du débit de reflux grâce au régulateur de niveau du ballon de reflux. La température de tête de la colonne n’est plus ici liée directement au point final de l’essence.

TRC

LC

LC

Eau

00829_B_F


GAZ + ESSENCE

A 6 2 0 2 D C P D

6

•

Condensation en une étape avec régulation d'une température dans la colonne - variable d'action : reflux circulant de tête

La température régulée n'est pas rigoureusement la température de rosée de la coupe de tête mais elle lui est liée. L'action du TRC agit sur le reflux induit par le reflux circulant par l’intermédiaire du bipasse des réfrigérants du reflux circulant une telle régulation.

LRC

Eau FRC

TRC

GAZ + ESSENCE

C 6 2 0 2 D C P D

Dans l'examen du fonctionnement de ces systèmes il faut prendre garde au fait qu'à température constante régulée par le TRC, le rendement en coupe de tête peut varier légèrement pour deux raisons principales : -

la température de rosée régulée est une température d'équilibre liquide-vapeur de la coupe de tête sous la pression partielle des hydrocarbures en tête de colonne ou au ballon intermédiaire. Il y a donc une certaine sensibilité du système aux variations de pression partielle des hydrocarbures ou à pression totale constante aux variations de pression partielle de vapeur d’eau

-

le pouvoir de séparation et donc la qualité de la séparation essence-kérosène est susceptible de varier ce qui conduit, également à température constante, à des variations du rendement

Toutefois, dans la mesure où pressions partielles et pouvoir de séparation ne subissent pas de modifications notables, on peut considérer que la consigne du TRC détermine le rendement en coupe de tête, donc le point de coupe t 1 et le point 95 % ASTM (ou point final) de l'essence de tête.

00829_B_F


7

b - Contrôle direct du point de coupe Une autre approche du contrôle du point de coupe t 1 consiste à fixer directement le débit de coupe de tête. Dans un système de condensation en deux étapes la régulation est mise en œuvre de la manière suivante :

B1 LC

B2 LC

LDC FRC

GAZ + ESSENCE FRC

Eau

Une augmentation de la consigne du régulateur de débit de la coupe de tête gaz + essence, par exemple, conduit à : -

une baisse de niveau dans le ballon B2 une diminution de la consigne de débit de reflux de tête de la colonne par le LC de B2 une montée de niveau dans B1 l’ouverture de la vanne de bipasse du condenseur de tête pour limiter la condensation de reflux - un accroissement du flux vapeur vers l’aérocondenseur et en final le rétablissement du niveau de B2 Ce système présente l'avantage de fixer rigoureusement le débit de coupe de tête, il a, par contre, l'inconvénient de ne pas s'adapter à un changement de composition du brut.

00829_B_F


D 6 2 0 2 D C P D

8

2 - DÉBIT DE SOUTIRAGES LATÉRAUX : POINTS DE COUPE ESSENCE-KÉROSÈNE, KÉROSÈNE-GAZOLE LÉGER, GAZOLE LÉGER-GAZOLE LOURD ET GAZOLE LOURD-RÉSIDU ATMOSPHÉRIQUE Le schéma type d'un soutirage latéral est représenté ci-dessous. Il consiste à réaliser un soutirage partiel du reflux interne de la colonne sous contrôle du niveau du stripper latéral. L'apport de liquide nécessaire pour stabiliser ce niveau est déterminé par l'intermédiaire d'un régulateur de débit du produit liquide en sortie d'unité. Le liquide non soutiré constitue le reflux interne qui alimente la section inférieure.

Stripper latéral

LRC

Vapeur

FRC

PRODUIT

Compte tenu du point de coupe t1 déjà déterminé par le régulateur de température utilisé en tête de colonne, les consignes de débit affichées pour les trois régulateurs de débit fixent les rendements en chacun des produits et donc les valeurs de t2, t3 et t4. Partant de t 1, le débit affiché pour la coupe kérosène fixe en effet t 2, puis la consigne de débit gazole léger détermine t 3 et enfin la valeur des débits de gazole lourd fixe t 4.

3-

DÉBIT DE RÉSIDU ATMOSPHÉRIQUE - BILAN MATIÈRE GLOBAL 0 10

t1

20

t2

30 40

t3 t4

50

Le bilan matière de l'installation exige que la somme des débits massiques des produits soutirés de la colonne soit égale au débit de brut. On voit en conséquence que le débit de résidu atmosphérique doit boucler ce bilan matière puisque tous les autres débits sont fixés rigoureusement ou déterminés par les régulations précédentes. La variable d'ajustement permettant de boucler le bilan matière est le niveau de fond de colonne, le régulateur de ce niveau fixant le débit de résidu atmosphérique.

TRC tête FRC kérosène FRC GO léger FRC GO lourd

T U R B

60

Le bilan matière de la colonne atmosphérique est donc finalement le résultat de la consigne de 4 régulateurs.

70 80 90

teb C °

00829_B_F

100

LRC fond de colonne B 5 2 0 2 D C P D

Le schéma ci-contre résume globalement le rôle de ces régulateurs par rapport aux quatre points de coupe t 1, t2, t 3 et t 4.


A 7 2 0 2 D C P D

9

III - MODIFICATION DES POINTS DE COUPE DES PRODUITS La modification des points de coupe s'obtient par le changement de consigne des régulateurs qui déterminent les débits et donc des rendements des produits. Le schéma précédent montre toutefois que la modification de la consigne d'un régulateur déterminant le débit d’un produit modifie tous les points de coupe à partir du produit concerné et pour tous les produits plus lourds. Il est donc logique d'aborder ce problème à partir de la tête de colonne puisqu'une modification de la consigne du régulateur fixant le débit de coupe de tête a une influence sur tous les autres produits. On peut ensuite descendre dans la colonne et analyser les effets d'un changement des débits des différents soutirages latéraux.

1 - MODIFICATION DE LA CONSIGNE D'UN RÉGULATEUR FIXANT LE DÉBIT DE COUPE DE TÊTE Une action sur la consigne du régulateur de température de tête TRC modifie bien entendu le débit et le rendement de coupe de tête et le point de coupe t 1e ntre essence et kérosène. On examine ici par exemple les conséquences d'une diminution de la consigne du TRC dans le cas de la régulation présentée sur la planche n°1 : - pour parvenir à sa nouvelle consigne le TRC accroît le débit de reflux interne par action sur le débit reflux externe - le débit de coupe de tête diminue ce qui se traduit par un abaissement de la température de point de coupe t 1e t par un point final de l'essence plus bas - les autres produits sont décalés et le schéma ci-après montre que l'abaissement de t 1 par une seule action sur le TRC conduit à une diminution de t 2, t 3 et t 4 - les débits des soutirages latéraux restent constants mais tous les produits deviennent plus légers : point initial et point final kérosène plus bas ; point final de coupes gazoles plus bas, abaissement des points de disparition des cristaux et de trouble - augmentation du débit de résidu atmosphérique et donc baisse de sa viscosité et de sa densité 0 10

t1 t2

30

t4

50

10

TRC tête t1

20

40

t3

0

FRC kérosène FRC gazole léger FRC gazole lourd

60

t2 t3 t4

°

00829_B_F

100

40

FRC gazole léger = FRC gazole lourd =

60

Allègement de tous les produits

70

RA

80

90

teb C

FRC kérosène =

Point final diminue

30

50

70 80

20

TRC tête

90

teb C °

100


RA C 5 2 0 2 D C P D

10

Dans la colonne, les pouvoirs de séparation dans chaque zone restent sensiblement constants puisque seul le débit de reflux interne augmente. Ce phénomène se traduit par un accroissement du débit d'“overflash”. Parallèlement l'allégement des produits conduit à des températures plus basses dans toute la colonne. On voit ainsi l’importance d’un changement de consigne du TRC pour tous les produits de la colonne : -

une baisse de la température de tête conduit à un allégement de tous les produits une augmentation de température de tête provoque à l’inverse un alourdissement de tous les produits

b - Cas d'un FRC Si l'on examine le cas d'une diminution de la consigne du FRC d'essence de tête on voit que l'on aboutit au même résultat que précédemment : - diminution du débit de coupe de tête - augmentation du débit de reflux externe et ajustement de la première étape de condensation - baisse des températures de point de coupe t 1, t2, t3 et t 4 - allégement de tous les produits dans la colonne et baisse de toutes les températures - augmentation du débit de reflux interne et de l'overflash - accroissement du débit de résidu atmosphérique

2 - MODIFICATION DE LA CONSIGNE D'UN RÉGULATEUR DE DÉBIT D'UN SOUTIRAGE LATÉRAL a - Soutirage intermédiaire Le schéma ci-dessous montre, toutes choses égales par ailleurs, l'effet d'une modification de la consigne du régulateur de débit de la coupe kérosène. 0 10

t1

20

t2

30 40

t3 t4

50

0 10

TRC tête FRC kérosène FRC gazole léger FRC gazole lourd

60

t1

t3 t4

70 80

°

00829_B_F

100

40

FRC kérosène FRC gazole léger =

50 60

FRC gazole lourd =

70

RA

80

90

teb C

20 30

t2

TRC tête =

90

teb C °

100


Augmentation du pont final

Alourdissement de tous les produits à partir du kérosène

RA D 5 2 0 2 D C P D

11

Il s'agit dans ce cas d'un accroissement du débit de kérosène qui conduit aux conséquences suivantes : - pas de modification du point de coupe t 1e ntre essence de tête et kérosène - augmentation des températures de points de coupe t 2, t3 et t4 - diminution du débit de reflux interne dans la colonne à partir du soutirage kérosène et par conséquent de l'"overflash" et du résidu atmosphérique - alourdissement de tous les produits à partir du kérosène se traduisant par une augmentation de point initial et surtout de point final ASTM et par une dégradation des propriétés de tenue au froid : point de disparition des cristaux et point de trouble - augmentation de toutes les températures dans la colonne à partir de la zone de soutirage de la coupe kérosène et en-dessous

b - Dernier soutirage Si l'action de modification du débit est relative AU DERNIER SOUTIRAGE, on ne change alors que le POINT DE COUPE entre le dernier soutirage et le résidu atmosphérique. Un exemple de ce type de réglage est figuré sur le schéma ci-dessous et correspond à une diminution du débit de gasoil lourd. 0 10

t1

20

t2

30 40

t3 t4

50

0 10

TRC tête FRC kérosène

t1

20

t2

30

FRC kérosène =

40

FRC gazole léger =

50

FRC

FRC gazole léger t3

FRC gazole lourd

60

t4

70 80

°

100

gazole lourd

60

Diminution du pont final

70

RA

80

90

teb C

TRC tête =

RA

Allègement des 2 produits

90

teb C °

100

La diminution du débit du dernier soutirage provoque un accroissement du débit de reflux interne et donc des débits d'"overflash" et de résidu atmosphérique. La température du point de coupe t 4 est abaissé et la coupe gazole lourd plus légère voit son point final diminuer ainsi que son point de trouble. Parallèlement l'allégement du résidu conduit également à une réduction de sa viscosité. On constate aussi dans la zone concernée une diminution des températures en relation avec l'allégement des produits. 00829_B_F


E 5 2 0 2 D C P D

12

IV - CHANGEMENT D'UN SEUL POINT DE COUPE Dans le cas général, si on veut limiter un réglage au changement d'un seul point de coupe entre deux produits, il est nécessaire d'effectuer une double action sur les régulateurs qui déterminent les débits des produits adjacents au point de coupe considéré.

Les actions à effectuer sont donc différentes selon le système de régulation des débits des soutirages dont est équipé la colonne. On analyse dans ce qui suit deux changements de point de coupe dans une colonne atmosphérique : le premier entre essence de tête et kérosène, le second entre deux soutirages latéraux.

1-

CHANGEMENT DE POINT DE COUPE ENTRE ESSENCE ET KÉROSÈNE Par exemple, pour une diminution du point final de l'essence, les actions à effectuer sont les suivantes : - baisse de la consigne de température du TRC de tête ou du ballon intermédiaire dans le cas d'un système de condensation à deux étapes - augmentation de la consigne du régulateur de débit de kérosène Pour garder constants les points de coupe autres que celui que l'on veut modifier, il est impératif que les deux variations de débit soient égales.

0

0

10

10

t1

20

t2

30 40

t3 t4

50

TRC tête

t1 t2

FRC gazole léger t3

FRC gazole lourd t4

°

100

50

Allégement des 2 produits Diminution du point final essence

FRC gazole léger = FRC gazole lourd =

60 70

RA

80

90

teb C

30 40

70 80

20

FRC kérosène

FRC kérosène

60

TRC tête

90

teb C °

100

RA = F 5 2 0 2 D C P D

Dans le cas envisagé l'accroissement du débit de la coupe kérosène compense exactement la diminution du débit d’essence.

00829_B_F


13

L'évolution des conditions de fonctionnement est alors la suivante : - augmentation du débit de reflux interne par action du TRC et diminution du débit d'essence de tête - accroissement du débit de kérosène qui correspond au soutirage de surplus de reflux interne - allégement de la coupe kérosène : baisse du point initial et amélioration de sa tenue au froid - diminution des températures dans toute la zone et en particulier en tête et au niveau du soutirage kérosène Cette manœuvre de changement de point de coupe est, appliquée à la séparation essence-kérosène, tout à fait similaire à celle que l'on observe dans une colonne de distillation à deux produits. Elle se caractérise par : -

un changement du bilan matière (moins d'essence, plus de kérosène) un allégement des deux produits concernés

La manœuvre inverse : augmentation de la température de tête et baisse du débit de kérosène conduirait évidemment à des conclusions contraires.

2-

CHANGEMENT DE POINT DE COUPE ENTRE DEUX SOUTIRAGES LATÉRAUX Un exemple de changement de point de coupe entre les coupes gazoles est représenté sur le schéma ci-dessous.

0 10

t1

20

t2

30 40

t3 t4

50

0 10

TRC tête FRC kérosène FRC gazole léger

t1

20

t2

30

t3

50

FRC gazole lourd t4

60 70 80

°

00829_B_F

100

FRC kérosène = FRC gazole léger FRC gazole lourd

Allégement des 2 produits

60 70

RA

80

90

teb C

40

TRC tête =

RA =

90

teb C °

100


G 5 2 0 2 D C P D

14

Le réglage est constitué par les deux actions suivantes : - diminution de la consigne du FRC gazole léger - augmentation équivalente de la consigne du FRC gazole lourd Les conséquences sont les suivantes : - débits : diminution du débit de gazole léger, augmentation du débit de reflux interne dans la zone gazoles et du débit de soutirage gazole lourd - point de coupe : la température de point de coupe t 3 diminue, les deux produits sont plus légers - températures : baisse des températures dans toute la zone considérée

00829_B_F


15

V - PARAMÈTRES DÉTERMINANT LE POUVOIR DE SÉPARATION DANS LES DIFFÉRENTES ZONES DE LA COLONNE 1-

SÉPARATIONS RÉALISÉES DANS LES COLONNES À SOUTIRAGES MULTIPLES Dans les colonnes de distillation à soutirages multiples on réalise simultanément plusieurs séparations. Chacune de ces séparations correspond à une qualité de fractionnement qui est en relation avec le pouvoir de séparation mis en œuvre dans la zone concernée. Coupe de t ête (gaz + essence)

Séparation essence / kérosène

Coupe de tête

Séparation kérosène / gazole l éger

Kérosène

Séparation gazole léger / gazole lourd

Gazole léger

Gazole lourd

Gazole lourd

Résidu atmosphérique

Kérosène

Séparation gazole lourd Résidu

Gazole léger

A 8 3 0 2 D C P D

Résidu atomosphérique

Le schéma ci-dessous montre à titre d'exemple les facteurs qui déterminent la séparation des coupes kérosène et gazole léger. Il s'agit : - du nombre de plateaux travaillant entre les soutirages kérosène et GO léger - de l'importance des trafics liquide-vapeur c irculant dans cette zone

Zone de séparation des coupes kérosène et gazole léger

V

L

Kérosène

Gazole léger

B 4 3 0 2 D C P D

On sait que le pouvoir de séparation mis en œuvre dans la zone considérée est d’autant plus important que le nombre de plateaux et que les trafics liquide-vapeur sont grands. Par ailleurs les strippers latéraux , en éliminant les fractions volatiles présentes dans chaque liquide soutiré contribuent bien entendu également à la qualité de la séparation réalisée. Les séparations qui en résultent font apparaître la présence d’impuretés ; chaque coupe contenant une certaine proportion de la coupe plus légère et de la coupe plus lourde par rapport à elle-même. 00829_B_F


16

2-

CONTRÔLE DE SÉPARATIONS Le contrôle des séparations concernant des produits distillables utilise les courbes de distillation ASTM et les notions de gap et d’overlap. • Fractionnement standard t (°C) Coupe A

ASTM Coupe A

t

Point de coupe teb

t (°C)

ASTM Coupe B

∆ t' ou GAP

Coupe B (°C)

0% 100%

0%

95%

100 % vol. dist. 5%

• Séparation parfaite t (°C) Coupe A

ASTM Coupe A

ASTM Coupe B

t (°C)

t Point de coupe teb

∆ t ou GAP maximum

Coupe lourde Coupe B (°C)

0% 100% 5% 95%

0%

100 % vol. dist.

• Séparation mauvaise t (°C) Coupe A

ASTM Coupe A

ASTM Coupe B

t

t (°C)

OVERLAP

Point de coupe teb Coupe B (°C)

0%

0% 100% 95%

00829_B_F


100 % vol. dist. 5%

C 9 8 6 D C P D

17

Pour ce qui concerne la séparation de fond de colonnee ntre le dernier soutirage et le résidu, il n’est pas possible de contrôler de la même manière la séparation. On préfère souvent en conséquence fixer le pouvoir séparateur mis en œuvre dans la zone en spécifiant par exemple la valeur de l’overflash dont le débit donné en pourcentage par rapport à celui du brut varie habituellement de 2 à 8%: - un overflash élevé correspond à un pouvoir de séparation plus important dont il résulte une meilleure séparation en fond de colonne - un overflash faiblec aractérise une séparation médiocre

3 - TRAFICS LIQUIDE-VAPEUR DANS UNE COLONNE DE DISTILLATION ATMOSPHÉRIQUE Le schéma de la page suivante montre l’allure typique des trafics liquide-vapeur dans une colonne de distillation atmosphérique. Ces trafics sont exprimés en t/h et ont été obtenus par simulation d’une colonne industrielle traitant environ 300 t/h de pétrole brut. Ce schéma fait apparaître les différentes zones dans la colonne : - les zones de fractionnementd ont le rôle est de séparer les différentes coupes pétrolières - les zones d’échange thermique, très chargées en liquide, dans lesquelles les reflux circulants sont refroidis viennent à l’intérieur de la colonne récupérer, par condensation de vapeurs, l’énergie thermique qu’ils ont cédé à l’extérieur

4-

VARIATION DES TRAFICS LIQUIDE-VAPEUR Les débits de liquide L et de vapeur V ne sont pas indépendants dans les colonnes à soutirages multiples puisqu'on a en débits massiques par bilan matière à tous niveaux.

Coupe de tête

V = L + Kérosène V

∑SOUTSUP

∑SOUTSUP

L

Gazole léger

étant la somme des débits des soutirages réalisés au-dessus de la zone considérée. Appliquée à la zone kérosène-gazole léger comme le montre le schéma ci-contre, cette relation devient : V = L + coupe de tête + kérosène

Gazole lourd

soit

Charge

V - L = coupe de tête + kérosène

Résidu

A 4 3 0 2 D C P D

Si l'on place dans une situation de bilan matière fixé , c'est-à-dire à points de coupe constants, on voit que pour respecter la relation, V - L = coupe de tête + kérosène = constante

00829_B_F

toute variation du débit de vapeur V doit être accompagnée d'une variation équivalente du débit de liquide L. © 200 4 ENSPM Formation Industrie - IFP Training

18

A 1 9 6 D C P D

S T I — B K É U D K E R I D K t L I u F r O B R P —

1 9 3 7 8 u 1 a e + e t 9 ê 6 t 4 e 7 d 7 e p 2 u 2 o 9 C 9 0 1

2 6 1 0 7

0 1 4 8 5

0 8 1 8 3 3

5 3 2 7 1 3

5 2 8 8 5 2

2 9 3 0 9 1

2 0 8 8 4 2

6 3 0 9 2 2

5 3 7 8 7 1

l i o s a g e r g e g a é r i l t u o S

e e g n a è r i s t u o r o é S k 6 0 4 4 3 1

5 2 3 0 2 1

x u l f e R

r u e i r é p u s t n a l u c r i c x u l f e R

4 3 2 1 0 9 8 4 4 4 4 4 3 3

6 6 5 4 7

1 0 9 2

3 , 2 4 1

h / h t 0 8 2 0 1 = d n o c Q 1 9 3 7 8 1

4 4

4 , 4 7 1 ) . s b a r ) a b C ( ( n . o p i s m e e r T P °

00829_B_F

3 0 , 2

) h / g k ( t i b

6 7 4 6 8 1

8 8 3 8 0 1

2 5 1 9 2 1

1

4 5 3 0 2 1

5 8 8 5 0 1 7 6 2 3 2

9 7 7 3 6

1 3 4 1 r u e p a V

2 7 9 4 1

x e n u l r f e e t n R i

5 8 3

4

1 0 4 7

8 3

0 0 5 8 3 1

0 , 7 5 1 3 3 1 2

4 5 1

8 7 1 5

3 1 0 6 4 2 1 3

0 3 5

4

1

5 2

h / h t 0 5 0 5 = S C R Q

2 0 2 2

0 0 2 8 4 1

8 0 2

1 , 7 6 2

9 , 6 4 3

1 1 6 5 1 1

7 6 2 3 2

6 5 4 8 , 0 7 4 3 2 7 4 7 8 1 1 1 1 1 6 5 8 0 3 1 1

h / h t 0 0 0 6 = I C R Q

é

D


0 5

1 9 0 8 3

7 0 3

9 0 6 4 4

8 4 0 7

é

R

6 5 4 3 2 1 0

4 1 3 9 2 3 4 4

1 1 6 5 0 1 1 0 1 u d i s

0 1

0 1 6 6 2

1

4 0 2

2 2 9 9 0 1

0 0 2

d e r g u o a l r i i l t u o o s S a g

3 8 4 7 3

5 5 5

4 3 8 , 1

8 4 4 1 0 2

7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0 5

9 6 4 7 7

0 6 9 1 4 2

e n r e t n i x u l f e R

e n r e t n i x u l f e R

é

D

0 0 3

7 7 5 8 5 1

8 1 8 9 1 1

h / t n e t i b

r e u d e i p u a q i v l l i i l f f o o r r P P

r u e i r é f n i t n a l u c r i c x u l f e R 0 8 9 9 8 1

8 1 0 8 6 2

0 0 4

1 6 3 2 9 2

6

1

1 3 4 1

19

L'impact d'un accroissement de L et V à bilan matière fixé, dans la zone de séparation du kérosène et du gazole léger conduit à une augmentation du pouvoir de séparation dont l'effet est illustré sur le schéma ci-dessous. Cas initial

Augmentation de L et V

Coupe de tête

Coupe de tête

t1

t1

Kérosène t2

Kérosène t2

Gazole léger t3

Gazole léger t3

Gazole lourd t3

Gazole lourd t3

Résidu teb C °

Résidu

A 5 3 0 2 D C P D

teb C °

L'amélioration de la qualité de la séparation conduit à une diminution du point final ASTM du kérosène et à une augmentation du point initial du gazole léger. L'écartement ainsi obtenu des courbes de distillation ASTM a pour conséquences une diminution de l'overlap ou bien une augmentation du gap. Il est à noter que l’amélioration de la séparation ainsi obtenue peut être amplifiée par un accroissement du stripage de la coupe gazole léger.

5-

VARIABLES D'ACTION SUR LE POUVOIR DE SÉPARATION Compte tenu des relations précédentes, on voit qu'à point de coupe constant, le pouvoir de séparation mis en œuvre dans chaque zone ne dépend que du débit de vapeur d'hydrocarbures en circulation dans la colonne. Le débit de liquide est en effet la conséquence du débit vapeur après prélèvement des soutirages supérieurs.

Toute variable susceptible d'agir sur le débit de vapeur influence donc le pouvoir de séparation. Il en est ainsi : - de la température d'entrée du brut qui détermine le débit vapeur initial assurant le rebouillage de la colonne. Le débit de vapeur généré dépend aussi de la nature du brut et de la pression partielle des hydrocarbures à l’entrée de la colonne. Il est à signaler que la température d'entrée du brut fixe également pour une bonne part la consommation d'énergie dans le four atmosphérique - des débits de chaleur extraits par les reflux circulants qui agissent comme de véritables condenseurs partiels intégrés dans la colonne. Un accroissement du débit de chaleur extrait par un reflux circulant provoque une condensation supplémentaire de vapeur dans la zone d'échange thermique et conduit par conséquent à une réduction des trafics vapeur et liquide au-dessus de la zone considérée . En agissant sur les débits de chaleur extraits par les différents reflux circulants de la colonne, on peut donc en principe régler tous les trafics liquide-vapeur pour obtenir les séparations visées et optimiser ainsi le bilan thermique de la colonne 00829_B_F


20

Par comparaison au réglage des points de coupe on voit que si le réglage du bilan matière des colonnes à soutirages type atmosphérique se fait plutôt par le haut, le réglage des pouvoirs de séparation dans chaque zone fait appel au bilan thermique que l'on peut moduler en agissant sur le débit vapeur. L'approche de l'optimisation de ce bilan thermique doit donc se faire par le bas en laissant passer à chaque niveau le débit de vapeur réellement nécessaire pour obtenir la séparation souhaitée. En résumé : Réglage du bilan matière : de haut en bas Réglage du bilan thermique : de bas en haut

6 - MODIFICATION DE LA TEMPÉRATURE D'ENTRÉE DU BRUT DANS LA COLONNE La température d'entrée du brut ou température transfert est régulée par l'apport de chaleur au brut dans le four de distillation atmosphérique. Une augmentation de cette température, à bilan matière constant, c’est-à-dire à points de coupe inchangés, a les conséquences suivantes : - accroissement du pourcentage vaporisé du brut et du débit de vapeur montant dans toute la colonne - augmentation du débit de vapeur en tête de colonne et de la charge thermique du condenseur - action du TRC de tête pour maintenir la température et donc sensiblement le point de coupe essence-kérosène : augmentation du débit de reflux externe - augmentation du débit de reflux interne dans chaque zone de la colonne - augmentation du débit mesuré de reflux interne en zone d'expansion (overflash) - amélioration du pouvoir de séparation dans chaque zone et donc de la qualité du fractionnement des produits comme l'indique le schéma ci-dessous sur lequel on compare le découpage théorique donné par les points de coupe au fractionnement réel pour mettre en évidence l'impact d'un accroissement du pouvoir de séparation

Découpage théorique

Impact d'une augmentation du pouvoir de séparation dans chaque zone

Découpage réel

Coupe de tête

t1 t2 t3 t4

Kérosène Gazole léger Gazole lourd

t1

t1

t2

t2

t3

t3

t4

t4

Résidu

teb C °

00829_B_F

Coupe de tête Kérosène Gazole léger Gazole lourd

Résidu

teb C °

teb C °


A 7 3 0 2 D C P D

21

On voit donc que sans changer les points de coupe entre les différents produits ce type d'action conduit à de meilleures séparations. Les caractéristiques des coupes subissent donc l'évolution suivante : -

augmentation du point initial diminution du point final accroissement des "gaps" et une diminution des "overlaps" augmentation des points d'é clair amélioration des points de trouble

Parallèlement, les conditions de fonctionnement de la colonne sont modifiées : - augmentation plus ou moins sensible des températures dans la colonne à cause des changements de pressions partielles. L'accroissement du trafic vapeur conduit en effet à une augmentation de la pression partielle des hydrocarbures qui, à qualité égale, provoque une élévation de température. Le phénomène est plus sensible au niveau des soutirages gazole léger et lourd - dépense d'énergie plus importante puisqu'il faut apporter d'avantage de chaleur au brut

7 - MODIFICATION DES DÉBITS DE CHALEUR EXTRAITS PAR LES REFLUX CIRCULANTS Un reflux circulant agit dans la colonne comme un condenseur partiel intégré et la quantité de vapeur qu'il condense est directement liée au débit de chaleur extrait de la colonne. Ce débit de chaleur extrait (QRC) dépend de deux paramètres principaux : - le débit de reflux circulant lui-même (MRC) - la chute de température qu'il subit par les échanges de chaleur à l'extérieur de la colonne : t sortie – t retour = ∆t QRC = M RC . C . ∆t C étant la chaleur massique du reflux : valeurs habituelles de 0,5 à 0,7 th/t°C. Le débit de reflux circulant est généralement très important afin de limiter, pour une charge thermique QRCd onnée, la chute de température. Cette dernière est souvent comprise entre 30 et 80°C. En pratique, dans une colonne industrielle, on voit que trois paramètres peuvent faire varier le débit de chaleur extrait par un reflux circulant : - son débit - la température de sortie - la température de retour

TC

FC

00829_B_F


B 7 2 6 D C P D

22

Généralement les deux paramètres débit et température retour sont régulés. Il reste que la température de sortie est un élément perturbateur susceptible de modifier le débit de chaleur extrait. Cette température de sortie est souvent la température d’un plateau de soutirage de produit. Elle peut aussi être celle d’un plateau spécifique de soutirage du reflux circulant. Dans tous les cas, elle dépend du réglage du réglage de la colonne et plus précisément du réglage du bilan matière. On sait en effet qu’un changement de bilan matière induit des modifications des températures des plateaux de soutirage et en conséquence va influer sur les charges thermiques du reflux circulant. À bilan matière donné on peut cependant considérer que la charge thermique d’un reflux circulant est influencée essentiellement par son débit et sa température retour.

a - Variation des charges thermiques des reflux circulants à points de coupe constants Une réduction, par exemple, du débit de chaleur extrait obtenue par diminution du débit ou par une température retour plus élevée a les conséquences suivantes (toutes choses égales par ailleurs) : - diminution de la quantité de vapeur condensée à l'intérieur de la colonne - augmentation du trafic vapeur au-dessus de la zone d'échange thermique - augmentation du débit vapeur de tête de colonne et de la charge thermique du condenseur qui doit donc évacuer le débit de chaleur non extrait par le reflux circulant - augmentation du reflux externe et du reflux interne après action du TRC de tête - amélioration du pouvoir de séparation dans toutes les zones situées au-dessus du reflux circulant modifié et cela avec les mêmes conséquences que précédemment : produits mieux séparés aux caractéristiques améliorées - accroissement plus ou moins sensible des températures de la colonne à cause de l'augmentation de la pression partielle des hydrocarbures - pas de modification des conditions de fonctionnement en-dessous de la zone de reflux circulant

QC

V1

TC

LC

Lo QRC TC

FC

V

L

V=

L=

GAZ + ESSENCE ≅

FC KEROSÈNE ≅

00829_B_F


D 1 0 9 D C P D

23

b - Influence d'une modification des températures sur le fonctionnement des reflux circulants Les changements de réglage des points de coupe ont pour conséquence directe de modifier les températures dans la colonne et plus particulièrement celles des plateaux de soutirage des reflux circulants. Ils conduisent donc à une modification des débits de chaleur extraits par les reflux circulants concernés et par conséquent à un changement des trafics liquide-vapeur et des pouvoirs de séparation. On examine ci-dessous à titre d'exemple les conséquences d'un changement de point de coupe entre la coupe de tête et le premier soutirage. • Objectif recherché

Baisse de la température de point de coupe entre coupe de tête et coupe kérosène dans une configuration de régulation correspondant celle de la planche n°1. • Actions à réaliser

- baisse de la consigne du TRC de tête - augmentation de la consigne du FRC kérosène de telle sorte que les variations des deux débits soient égales • Conséquences

- changement de point de coupe : allégement des produits dans la zone concernée • point final coupe de tête plus bas • point initial kérosène plus bas - baisse des températures et notamment sur le plateau de soutirage kérosène - diminution du débit de chaleur extrait par le reflux circulant supérieur - accroissement du trafic vapeur dans la zone kérosène - tête, puis par l'action du TRC augmentation du trafic liquide - augmentation de la charge thermique du condenseur de tête - accroissement du pouvoir de séparation dans la zone kérosène-tête • Conclusion

Sauf action de correction sur le reflux circulant on voit que la modification du point de coupe a un effet parasite sur le plan thermique et qu'elle conduit dans le cas envisagé à une meilleure séparation des coupes concernées. Il importe donc d'être vigilant dans la conduite de la colonne et de veiller à récupérer au mieux la chaleur disponible au niveau de chaque reflux circulant en fonction des qualités de séparation recherchées. Il est à noter qu'une conduite des reflux circulants basée sur les débits de chaleur extraits et non plus seulement sur le débit et la température retour, permettrait de détecter les effets parasites de la modification du bilan matière.

00829_B_F


24

8 - CAS DE RÉGLAGE DU POUVOIR DE SÉPARATION DANS UNE COLONNE DE DISTILLATION À SOUTIRAGES MULTIPLES a - Recherche d'un point éclair aussi élevé que possible pour la coupe kérosène dans une marche mini essence On sait qu'une réduction de débit de coupe de tête pour diminuer la production d'essence se traduit par une baisse de son point final. Parallèlement, la coupe kérosène adjacente se trouve allégée d'autant ce qui diminue en particulier son point d'éclair. La baisse de celui-ci peut toutefois être limitée si l'on accroît le pouvoir de séparation dans la zone de tête de la colonne comme l'indique le schéma de principe ci-dessous.

Fonctionnement de base

Changement de point de coupe marche mini essence

Fractionnement apr ès accroissement du pouvoir de séparation

Coupe de tête

Coupe de tête

Coupe de tête

Kérosène

Kérosène

Kérosène

t'1 t1

teb C °

On réduit en effet ainsi la quantité d'hydrocarbures légers dans la coupe kérosène ce qui améliore son point d'éclair. Une telle qualité de séparation peut être obtenue par une diminution du débit de chaleur extrait par le reflux circulant qui travaille juste au-dessous de la zone considérée. Il en résulte l'accroissement recherché des trafics liquide-vapeur.

00829_B_F


A 8 2 0 2 D C P D

25

b - Maximisation d'un rendement de gazole à point de trouble donné L'exemple ci-dessous correspond à une colonne atmosphérique travaillant avec un épuisement élevé qui permet d'obtenir après la coupe gazole lourd, une coupe distillat. Si l'on désire maximiser le rendement gazole à qualité constante pour ce dernier, c'est-à-dire pour ce produit à point de trouble constant, il est nécessaire d'accroître le pouvoir de séparation dans la zone gazole-distillat. Cela conduit en effet, à points de coupe constant, à une amélioration de la séparation des produits et donc à un point de trouble plus bas pour le gazole lourd. Si l'on veut travailler à point de trouble constant, il est nécessaire alors de changer le point de coupe gazole lourd- distillat ce qui se traduit par un gain de rendement en coupe gazole lourd.

Fonctionnement de base

Fractionnement après accroissement du pouvoir de séparation

Gazole

Gazole

Distillat

Distillat

RA

RA

Fonctionnement après retour de trouble initial

Gazole

t4 t'4

teb C °

Distillat

RA

teb C °

En pratique, l'accroissement du pouvoir de séparation dans la zone considérée peut être obtenu en augmentant la température d'entrée du brut dans la colonne. L'accroissement du flux vapeur ainsi généré peut être "arrêté" par le reflux circulant inférieur de la colonne, qui, par augmentation du débit de chaleur extrait, peut condenser le surplus de vapeur et donc limiter l'impact de l'augmentation de la température d'entrée du brut à la zone inférieure de la colonne.

00829_B_F


A 9 2 0 2 D C P D

26

Les réglages et leurs conséquences sont alors les suivants : - augmentation de la consigne du TRC du brut - augmentation de la quantité de chaleur extraite par le reflux circulant inférieur par modification du débit ou de l'écart de température entre sortie et retour. Les conditions dans la partie supérieure de la colonne ne sont pas modifiées si les surplus de chaleur apportés sur le brut et extraits par le reflux circulant sont égaux - accroissement des trafics liquide-vapeur entre zone d'expansion et reflux circulant inférieur : le trafic liquide augmente grâce à la condensation accrue provoquée par le reflux circulant Cela se traduit en particulier par une augmentation de l’”overflash”. - pouvoir de séparation plus grand dans la zone considérée et donc gain possible sur le rendement en gazole par modification de la consigne du FRC gazole lourd et ajustement en conséquence du débit distillat. Si l'on veut garder le débit d'"overflash" constant par rapport au brut cela exige une correction supplémentaire sur le débit de distillat

QRC

GAZOLE = V

L

V

L

DISTILLAT =

T BRUT OF

RÉSIDU ATMOSPHÉRIQUE

00829_B_F


A 1 6 6 2 D C P D

27

VI - PRESSION DE FONCTIONNEMENT On sait que la pression totale n'est pas normalement un paramètre de réglage des colonnes de distillation. Il est bon toutefois de se rappeler qu'une baisse de pression totale quand elle est possible, permet de diminuer en général la consommation d'énergie d'une distillation en rendant possible une réduction du pouvoir de séparation à mettre en œuvre. Ce gain est dû à un accroissement des écarts de volatilité qui rend les séparations plus faciles à réaliser à pression plus basse. Il est lié également à l’abaissement des températures opératoires. En ce qui concerne la colonne de distillation atmosphérique, c'est un paramètre non mesurable directement, qui, en fait, détermine la pression opératoire de la distillation. Il s'agit en effet de la pression partielle des hydrocarbures qui dépend de la pression totale et des proportions en phase vapeur des molécules d'hydrocarbures et de vapeur d'eau. Le cas le plus simple permettant de caractériser l'influence de ce paramètre est celui qui correspond, toutes choses égales par ailleurs, à un accroissement du débit de vapeur d'eau dans la colonne qui peut être obtenu par exemple par augmentation de l'injection de vapeur en fond de colonne. à pression totale constante augmenter les injections de vapeur d'eau = augmenter la pression partielle de vapeur d'eau

baisser la pression partielle des hydrocarbures

On peut alors observer : - un accroissement du pourcentage vaporisé du brut qui conduit comme on l'a déjà vu à des trafics liquide-vapeur plus importants dans toute la colonne. Il est à signaler que les trafics vapeur d'eau et hydrocarbures augmentant simultanément la charge hydraulique des plateaux est fortement accrue - une amélioration des qualités de séparation de tous les produits et cela pour deux raisons : • le pouvoir de séparation qui augmente dans chaque zone • les séparations sont un peu plus faciles par baisse de pression Cela permet donc éventuellement de gagner en rendement sur certains produits. - une baisse des températures correspondant au changement de pression partielle des hydrocarbures - un accroissement de la charge thermique du condenseur de tête car les quantités d'hydrocarbures et de vapeur d'eau à condenser augmentent Parallèlement, ce problème est aggravé par le fait que la température de tête de colonne tend à baisser. En pratique il est généralement intéressant, en dehors d'une action sur le débit de vapeur injecté dans les strippers, de fonctionner à pression totale minimale. Pour ce faire, il est nécessaire d'utiliser au mieux la capacité de condensation disponible, la baisse de pression étant le plus souvent limitée par la capacité des condenseurs à condenser totalement les vapeurs de tête.

00829_B_F


28

VII - CARACTÉRISTIQUES DES BRUTS TRAITÉS Une même colonne de distillation atmosphérique est calculée en général sur deux ou plusieurs bruts différents mais fonctionne, en pratique, en traitant des bruts très variés. C'est d'ailleurs dans les phases de changement de nature de brut que se pose une bonne part des problèmes de réglage des colonnes de distillation à soutirages multiples. Dans ce cas, en effet, le nouveau réglage à obtenir correspond à un changement de consigne de la plupart des régulateurs régissant le fonctionnement de la colonne. Les principaux paramètres mis en œuvre par un changement de brut sont les suivants : - la charge thermique du four à débit de brut et à température sortie four constants, est d'autant plus élevée que le brut est plus léger à cause de l'accroissement du pourcentage vaporisé. À chaque thermique constante le débit traité est plus faible avec un brut léger qu'avec un brut lourd - à mêmes points de coupe, ce qui, sur des bruts différents ne veut pas dire à même qualité, les rendements des produits sont très différents selon qu'il s'agit d'un brut léger ou d'un brut lourd comme l'indique le schéma ci-dessous

t1

Brut "lourd"

Brut "léger"

Essence de tête

Essence de tête

Kérosène

t1

t2

Kérosène Gazole léger

t3

t2

Gazole léger Gazole lourd

t4

t3

Gazole lourd t4

Résidu Résidu teb C °

teb C °

Cela implique une modification des consignes des régulateurs qui déterminent les points de coupe. - les pressions partielles s ont différentes après ajustement des taux de stripage On injecte ainsi beaucoup plus de vapeur d'eau en fond de colonne sur un brut lourd que sur un brut léger. - les quantités de chaleur à extraire par les reflux circulants sont à adapter en fonction de ce qui est apporté par le brut. On peut noter sur les bruts légers une plus grande quantité de chaleur à évacuer au condenseur - la charge hydraulique de la colonne est importante en tête sur les bruts légers. Au contraire c'est le fond de la colonne : stripper de fond, pompe de résidu qui est plus chargé sur les bruts lourds 00829_B_F


A 0 3 0 2 D C P D

29

Il est à signaler que la régulation du point de coupe entre essence et kérosène par le TRC de tête est capable d'adapter dans un premier temps le rendement en coupe gaz + essence à la composition du brut en gardant un point final sensiblement du même ordre de grandeur pour cette coupe et cela sans changement du point de consigne. Un réglage plus fin ensuite permet d'atteindre le point final visé. En ce qui concerne l'ajustement des débits des soutirages latéraux, il est possible de se référer à la connaissance qu'on peut avoir du nouveau brut traité pour un premier réglage. En l'absence de renseignements de cette nature, les températures des plateaux de soutirage permettent de situer les volatilités moyennes des coupes et peuvent être prises en compte. L'ajustement nécessaire, à cause des différences de nature chimique entre les bruts peut ensuite être réalisé grâce aux analyses des produits.

VB

BRUT

LB

E 1 3 6 D C P D

Le changement de qualité du brut conduit également à une modification de l’épuisement du brut en fonction du taux de vaporisation en zone d'expansion. Passant d'un brut lourd à un brut léger on constate en effet que dans les mêmes conditions en zone d'expansion le surplus de vaporisation dû à l'allégement du brut dépasse nettement le changement de composition.

Ce changement conduit donc, en supposant que le débit vapeur issu du brut représente sensiblement l'ensemble des soutirages , à un point de coupe t 4 nettement plus élevé pour un brut léger. C'est ce que montre le schéma ci-dessus.

VB V'B t'4 > t4

t4 t'4 LB L'B

teb C °

00829_B_F

teb C °


A 2 3 0 2 D C P D

30

Ce phénomène traduit sur les schémas de découpage des bruts montre le gain obtenu, à points de coupe constants entre les soutirages, sur le point de coupe entre dernier soutirage et résidu.

BRUT 1

BRUT 2

Essence t1

Essence

Kérosène t1

t2

Gazole léger t2

t3

Gazole lourd t3

t4

t4 t'4

t1

Kérosène t2

Gazole léger Gazole lourd

Résidu

t3 t4 t'4

Résidu teb C

teb C

°

00829_B_F

°


A 3 3 0 2 D C P D

Variables de Fonctionnement Des Colonnes à Soutirages Multiples

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