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CA 02207810 1997-06-12
Procédé et dispositif de mise en vibration d'un conduit
dans une enceinte thermique.
La présente invention a pour objet un procédé et un appareillage
s de traitement thermique de matières ou produits fluides, gazeux ou
liquides, s'écoulant dans un conduit.
Le secteur technique de l ' invention concerne les traitements
thermiques en général, ceux mettant en oeuvre aussi bien un chauffage
qu'un refroidissement et comprenant une réaction chimique ou non.
lo Des matières ou produits fluides soumis à des traitements
thermiques sont susceptibles de former des dépôts sur la paroi interne
d'un conduit dans lequel ils s'écoulent pendant leur traitement. Ceci
peut se produire par exemple lors du vapocraquage d'hydrocarbures
pour fabriquer des oléfines, ou lors du craquage du 1~2-dichloroéthane
pour fabriquer le chlorure de vinyle, ou encore dans des échangeurs de
chaleur, par exemple des refroidisseurs.
Il est connu selon la demande internationale N~ WO 92/11931
(NAPHTACHIMIE S.A.) un procédé de fabrication de produits
chimiques dans lequel on fait circuler un ou plusieurs réactifs à
l'intérieur d'un tube disposé dans une zone de radiation d'un four, et
dans lequel une partie au moins du tube est soumise à une vibration afin
de limiter les dépôts de sous-produits de la réaction tels que le coke, sur
la paroi interne du tube. Cette demande de brevet propose de provoquer
une vibration transversale du tube à une fréquence comprise entre 50 et
2 000 Hertz, par un générateur de vibrations mécaniques disposé à
l'intérieur ou à l'extérieur de la zone de radiation du four et relié au
tube par l'intermédiaire d'une liaison mécanique.
Ce document décrit également un four, tel qu'un four de
vapocraquage, comportant une enceinte thermique de radiation, munie
30 de brûleurs, à l'intérieur de laquelle est disposé un tube de craquage en
forme de serpentin, constitué d'une succession de sections droites (c'est-
à-dire de tronçons rectilignes) reliées entre elles par des coudes; le four
est muni d'un moyen d'excitation susceptible de générer une vibration
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d'au moins une partie du tube qui peut être constitué par un générateur
de vibrations mécaniques, relié au tube par une liaison mécanique.
La demande de brevet JP-A-59-001999 (MITSUBISHI JU-KOGYO)
décrit un procédé de soufflage de suie pour économiseur à fumées des
chaudières principales et auxiliaires des navires et des chaudières
terrestres, dans lequel la suie déposée à la surface externe des éléments
tubulaires d'un économiseur à fumées est éliminée par vibration forcée
desdits éléments tubulaires.
L'économiseur est constitué par plusieurs rangées d'éléments
o tubulaires en forme de serpentin supportées par des plaques tubulaires
et un étançon.
Une tige est fixée par l'une de ses extrémités à une plaque
tubulaire du tube de chauffage, et raccordée par son autre extrémité à
une machine vibrante; on fait vibrer le tube de chauffage en actionnant
la machine vibrante.
La présente invention a pour objet de proposer un procédé de
traitement thermique de fluides s'écoulant dans un conduit disposé dans
une enceinte thermique (telle qu'une enceinte de radiation d'un four
équipée de brûleurs), dans lequel on fait vibrer le conduit, et un
dispositif correspondant, qui soient améliorés.
La présente invention a plus particulièrement pour objectif de
proposer un procédé et un appareillage de mise en vibration effective
d'un tube ou conduit qui est disposé dans une enceinte thermique et
dans lequel s'écoule un fluide, procédé et appareillage qui soient
compatibles avec des contraintes thermiques pouvant être élevées dues à
des températures très élevées régnant dans 1 ' enceinte thermique
(pouvant aller jusqu'à 1 000 ~ C ou 1 500 ~ C), et qui soient à la fois
simples, fiables, répondant aux normes de sécurité et avec une longue
durée de vie, c'est-à-dire susceptibles d'être mis en oeuvre
30 industriellement à un coût réduit tout en étant dotés d'une robustesse,
fiabilité et sûreté suffisantes, compte tenu du caractère continu des
opérations de traitement thermique et des risques d'explosion en cas de
rupture mécanique du conduit.
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Selon un premier aspect, la solution au problème posé consiste à
proposer un procédé de mise en vibration d'un conduit pour réduire ou
éviter un dépôt de particules solides sur la paroi interne dudit conduit
dans lequel s'écoulent un ou plusieurs fluides, lequel conduit est disposé
5 en partie au moins dans une enceinte thermique (pour le traitement
thermique dudit ou desdits fluides), procédé dans lequel on applique au
conduit une vibration transversale (ou de flexion) produite par un
vibrateur mécanique qui est disposé à l'extérieur de l'enceinte
thermique, dans lequel on transmet ladite vibration (dudit vibrateur
o audit conduit) par l'intermédiaire d'un appendice (ou accessoire ou
organe proéminent dudit conduit) faisant partie d'un moyen mécanique
de support ou de guidage dudit conduit ou bien d'un instrument de
mesure (notamment de mesure de pression ou de température dudit ou
desdits fluides) fixé audit conduit; les vibrations transversales d'une
portion rectiligne du conduit résultent d'un effort exercé par le
vibrateur selon une direction sensiblement transversale ou radiale par
référence à l'axe longitudinal d'un tronçon rectiligne du conduit.
Selon un autre aspect, l'invention s'applique à un procédé de
traitement thermique d'un ou plusieurs fluide(s) s'écoulant dans un
conduit qui comporte au moins un tronçon rectiligne s'étendant selon
un axe longitudinal, lequel conduit est disposé en partie au moins dans
une enceinte thermique, procédé dans lequel on provoque une vibration
transversale du conduit produite par un vibrateur mécanique disposé à
l'extérieur de l'enceinte thermique, pour réduire ou éviter un dépôt de
particules solides sur la paroi interne dudit conduit; selon l'invention,
on transmet ladite vibration par l'intermédiaire d'un appendice faisant
partie d'un moyen mécanique de support ou de guidage dudit conduit
ou bien d'un instrument de mesure fixé audit conduit, et les vibrations
sont appliquées en exerçant un effort selon une direction sensiblement
30 transversale ou radiale par référence audit axe longitudinal.
Il a été trouvé que d'une façon surprenante, il est possible
d'appliquer (et de transmettre) la vibration au conduit par un appendice
équipant le conduit alors que selon un préjugé généralement répandu, il
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est recommandé d'éviter de mettre en vibration de tels conduits;
conformément à l'invention, on utilise un appendice servant de moyen
de mesure ou de contrôle de la température ou de la pression du ou des
fluides s'écoulant dans le conduit, ou bien faisant partie d'un moyen
mécanique de support ou de guidage dudit conduit, sans qu'il soit
nécessaire de modifier l'appendice pour l'adapter à sa nouvelle fonction
de transmission des vibrations.
L'appendice utilisé peut être disposé en n'importe quel point du
conduit ou d'un tronçon rectiligne de tube ou d'un coude, de préférence
lo au voisinage d'une extrémité d'un tronçon rectiligne de tube (du
conduit), ou plus particulièrement sur un coude ou un tronçon
curviligne de tube; dans ce cas particulièrement, il a été constaté que,
de façon surprenante, il est possible d'obtenir une vibration, de
préférence transversale (c'est-à-dire de flexion d'un tronçon rectiligne
(de tube) du conduit) suffisamment efficace pour limiter les dépôts sur
la paroi interne du conduit, en appliquant les vibrations (qui sont
générées par le vibrateur et transmises au conduit par un moyen de
liaison mécanique) à l'extrémité de ce tronçon rectiligne, alors que cette
extrémité correspond normalement à un noeud de vibration, pour ce qui
concerne notamment les modes de vibration transversale de ce tronçon,
et que par conséquent, il paraît défavorable d'exciter le tronçon
rectiligne au voisinage de son extrémité.
De préférence, le vibrateur exerce un effort linéaire ou axial,
c'est-à-dire dirigé selon un axe (ou direction) dit principal, qui est
invariable dans le temps; à cet effet, le vibrateur peut comporter un
noyau ou masselotte, montée mobile en translation linéaire (selon ledit
axe principal) sur deux paliers alignés, et mue par l'action d'un champ
électromagnétique périodique et alternatif; ce type préféré de vibrateur
électromagnétique peut être choisi parmi ceux proposés par la Société
30 BINDER MAGNETE GMBH (Monchweilerstrasse 1, Postfach 1220,
D.7730 Villingen-Schwenningen, Allemagne).
Conformément à un aspect de l'invention, l'axe principal selon
lequel l'effort est exercé, peut être situé dans un plan sensiblement
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incliné par rapport à l'axe longitudinal du tronçon rectiligne à faire
vibrer, d'un angle supérieur à 45~ et inférieur à 135~, de préférence
compris entre 60~ et 120~, notamment voisin de 90~, c'est-à-dire
sensiblement perpendiculaire; ledit axe principal peut s'étendre
radialement, c'est-à-dire peut couper ledit axe longitudinal en un point
d' intersection .
Selon un autre aspect, l'invention consiste en un dispositif de
traitement thermique d'un ou plusieurs fluides qui comporte:
- une enceinte thermique,
- un conduit dans lequel ledit ou lesdits fluides s'écoulent,
qui s'étend en partie au moins à l'intérieur de ladite enceinte, et qui
comporte un tronçon rectiligne s'étendant selon un axe longitudinal,
- un vibrateur mécanique disposé à l'extérieur de l'enceinte
thermlque,
- un moyen de liaison mécanique reliant ledit conduit audit
vibrateur,
dispositif dans lequel ledit moyen de liaison mécanique servant à
transmettre les vibrations, comporte un appendice proéminent du
conduit, lequel appendice fait partie d'un moyen mécanique de support
20 OU de guidage dudit conduit ou bien d'un instrument de mesure fixé
audit conduit,
et l'axe selon lequel ledit vibrateur exerce son effort sur ledit
moyen de liaison mécanique, est disposé sensiblement transversalement,
par exemple radialement, à l'axe longitudinal du tronçon rectiligne.
Selon des modes préférentiels de réalisation de l'invention:
- l'appendice est fixé et/ou intégré à une partie du conduit qui est
disposée à l'intérieur de l'enceinte thermique;
- ledit appendice est essentiellement constitué par une ou
plusieurs pièces métallique(s) fixée(s) rigidement et de manière
30 inamovible à une ou plusieurs parois dudit conduit, de préférence
soudée à une paroi dudit conduit ou bien constituant une seule pièce
(par exemple par moulage) avec une partie des parois dudit conduit,
lequel appendice est de préférence de forme allongée, par exemple
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essentiellement constitué par un tronçon de tube (creux) ou de
barre(pleine);
- ledit vibrateur est (mécaniquement) relié directement audit
appendice, ou bien ledit vibrateur est (mécaniquement) relié
5 indirectement à un ou plusieurs appendice(s) par l'intermédiaire d'un
connecteur (essentiellement constitué par une structure métallique
rigide) apte à transmettre ladite vibration;
- ledit vibrateur est fixé de manière amovible audit connecteur ou
audit appendice, par exemple par au moins une vis ou un boulon;
lo - on utilise un vibrateur électromagnétique alimenté par une
source d'énergie électrique à fréquence variable (telle qu'un variateur de
fréquence et de tension);
- on applique des vibrations audit conduit à une fréquence
inférieure à 1000 hertz, de préférence comprise entre 10 et 500 hertz
15 (notamment entre 20 et 200 Hertz, particulièrement entre 20 et 60
hertz);
- ledit vibrateur exerce un effort (linéaire) périodique dont la
fréquence est sensiblement égale (à plus ou moins 15 % près, de
préférence à plus ou moins 5 % près) à une fréquence propre de
20 résonance correspondant à un rnode de vibration transversale dudit
tronçon rectiligne.
Le vibrateur exerce sur l'appendice, directement ou bien par
l'intermédiaire d'un connecteur, un effort (ou force) variable dans le
temps, de préférence périodique et alternatif, pour provoquer un
25 mouvement (ou déplacement) de l'appendice, le cas échéant du
connecteur (c'est-à-dire de la structure de transmission des vibrations),
et du tronçon rectiligne du conduit, variable dans le temps et de valeur
moyenne nulle (c'est-à-dire périodique); cette mise en vibration
transversale du conduit provoque une déformation transversale ou de
30 flexion des parties allongées (par exemple tubulaires) rectilignes du
conduit, c'est-à-dire d'au moins un tronçon rectiligne (de tube) du
conduit .
Selon d'autres modes préférentiels de réalisation de l'invention:
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- le dispositif suivant l'invention comporte plusieurs vibrateurs
respectivement fixés ou reliés à un ou plusieurs appendice(s) dudit
co nduit;
- ledit vibrateur mécanique est fixé audit connecteur ou audit
appendice par des moyens d'orientation qui permettent une orientation
de l'axe d'application de la vibration et/ou de l'effort alternatif généré
par le vibrateur mécanique; ledit vibrateur est suspendu audit
connecteur ou audit appendice, et la masse dudit vibrateur est inférieure
ou égale à 20 kg; le vibrateur peut être disposé à une faible distance
lo d'un orifice prévu dans une paroi de l'enceinte thermique et au travers
duquel s'étend ledit appendice;
- ledit vibrateur est fixé rigidement audit appendice et de sorte
que son axe principal d'application d'effort soit disposé sensiblement
transversalement ou radialement par référence à l'axe longitudinal de
l'appendice, notamment lorsque ledit appendice est allongé et s'étend
sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal d'un tronçon rectiligne
de tube faisant partie dudit conduit;
- ledit appendice est fixé ou incorporé à un coude (de préférence à
90 ou 180 degrés) faisant partie dudit conduit;
- ledit appendice est essentiellement constitué par une tige, une
plaque ou un tube s'étendant au travers d'un orifice prévu dans une
paroi faisant partie des moyens délimitant l'enceinte thermique, lequel
appendice est fixé ou intégré à un coude disposé à une extrémité d'un
tronçon rectiligne de tube dudit conduit; ledit tronçon rectiligne de
tube et ledit appendice s'étendent sensiblement parallèlement et selon
une direction horizontale ou verticale;
- la plus grande dimension (ou longueur) dudit appendice est
inférieure ou égale à deux mètres, par exemple voisine de 0,1 mètre à
1,0 mètre, et la plus grande dimension (ou longueur) dudit connecteur
30 est inférieure ou égale à deux mètres, par exemple voisine de 0,1 mètre à
1,0 mètre;
- la première fréquence propre de résonance (c'est-à-dire la
fréquence la plus basse) correspondant au premier mode propre de
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déformation naturelle de la liaison mécanique (ou connecteur) est
supérieure (de préférence d'au moins 20 ou 30 %) à la première
fréquence propre de déformation (transversale) de la portion rectiligne
du conduit; à titre d'exemple, pour permettre une excitation du
5 conduit à une fréquence propre de celui-ci qui est voisine de 40 Hz, on
vérifiera qu'aucune fréquence propre de résonance de la liaison
mécanique ne se situe en-dessous de 50 Hz, de préférence en-dessous de
60 ou 70 Hz et on règle la fréquence des vibrations générées par le
vibrateur à une valeur voisine de 35 à 45 Hz;
0 De façon générale, l'invention s'applique aux procédés et
dispositifs dans lesquels des fluides sont susceptibles de provoquer des
dépôts solides sous l'effet d'un chauffage, d'un refroidissement ou d'une
réaction chimique.
L'écoulement du ou des fluides dans le conduit peut être réalisé
5 avant ou après, ou de préférence pendant la mise en vibration du
conduit; ledit (ou lesdits) fluide(s) peut (peuvent) être un (des)
réactif(s) chimique(s) soumis à une réaction chimique dans ledit
conduit; dans ce cas, l'enceinte thermique peut être un four ou même
un échangeur thermique dans lequel est disposé un conduit (un tube)
dans lequel se déroule une réaction chimique.
Le vibrateur mécanique peut être directement ou indirectement
relié à au moins l'un des moyens mécaniques de mesure ou de contrôle
de la température ou de la pression du ou des fluides s'écoulant dans le
conduit. L'un de ces moyens peut comprendre un fourreau ou une gaine
métallique rigide qui pénètre dans le conduit de façon à mesurer ou
contrôler la température ou la pression du ou des fluides dans le
conduit. Cela peut être un "doigt de gant" ou un "puits
thermométrique" dans lequel se trouve un thermocouple, ou bien un
tuyau rigide permettant la mesure d'une pression ou d'une perte de
30 charge. Ainsi, dans ce cas, on utilise le fourreau, ou la gaine, ou le
tuyau pour transmettre les vibrations émises par le vibrateur au conduit
lui-même. Dans certains cas, on peut renforcer le moyen mécanique à
son point d'attache avec le conduit en rendant le moyen mécanique plus
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rigide grâce à une pièce métallique ajoutée et fixée ou soudée à
l'ensemble du moyen mécanique et du conduit.
Ainsi dans la présente invention, l'un au moins des appendices
mécaniques combine à la fois la fonction d'instrument de mesure ou de
5 contrôle de la température ou de la pression du fluide dans le conduit
ou bien la fonction de support ou de guide du conduit, avec la nouvelle
fonction de transmetteur de vibrations entre le vibrateur mécanique et
le conduit.
Le vibrateur mécanique peut être directement relié à l'un au
10 moins de ces moyens mécaniques (ou appendices), notamment lorsque
ces appendices comportent au moins une partie externe disposée à
l'extérieur de l'enceinte thermique, par exemple lorsqu'ils débouchent
de l'intérieur de l'enceinte et émergent à l'extérieur de l'enceinte à
travers un orifice pratiqué dans une paroi de l'enceinte.
Le vibrateur mécanique peut aussi être indirectement relié à au
moins l'un de ces appendices grâce à un connecteur mécanique rigide.
Le connecteur permet de relier le vibrateur mécanique à l'un au moins
de ces appendices, notamment à la partie externe de l'un de ces
appendices qui est disposée hors de l'enceinte. Dans ce cas, le
20 connecteur peut être d'une longueur extrêmement courte, allant par
exemple de 20 à 200 millimètres. Il peut être relativement long, par
exemple de 200 à 2 000 millimètres, notamment lorsque l'un des
appendices ne comporte pas de partie externe disposée à l'extérieur de
l'enceinte thermique, mais se trouve situé en totalité à l'intérieur de
25 l'enceinte. Dans ce cas, le connecteur relie le vibrateur mécanique à l'un
des appendices situé à l'intérieur de l'enceinte, en passant au travers
d'un orifice pratiqué dans une paroi de l'enceinte. Le système d'attache
du connecteur au vibrateur d'une part, et au moyen mécanique de
support ou guidage ou mesure ou de contrôle de la température ou de la
30 pression d'autre part, peut être identique ou différent, amovible tel
qu'au moins un boulon ou une vis, ou inamovible tel qu'une soudure.
On préfère utiliser un système d'attache inamovible lorsque celui-ci est
situé à l'intérieur de l'enceinte, et un système d'attache amovible
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lorsque celui-ci est situé à l'extérieur de l'enceinte. Le connecteur a de
préférence pour fonction de transmettre sensiblement intégralement les
vibrations du vibrateur à l'appendice sans modifier substantiellement la
fréquence de ces vibrations.
On peut utiliser un vibrateur mécanique pour chacun des
appendices, ou seulement un vibrateur pour plusieurs de ces appendices.
D'une façon avantageuse, on peut relier entre eux deux ou plusieurs de
la totalité de ces moyens mécaniques (ou appendices) par une liaison
mécanique commune rigide, et simultanément relier cette dernière
10 directement ou indirectement au vibrateur mécanique. La liaison
mécanique commune rigide peut être disposée à l'intérieur ou de
préférence à l'extérieur de l'enceinte thermique. Elle peut être
constituée par une tige ou une barre rigide, appropriée à
1 ' environnement ambiant. Un connecteur tel que celui décrit
précédemment peut être utilisé pour relier le vibrateur à cette liaison
mécanique commune rigide lorsque ceux-ci ne sont pas reliés
dlrectement.
En proposant d'appliquer les vibrations générées par le vibrateur
mécanique, par l'intermédiaire éventuellement d'une pièce de liaison
(connecteur) entre le vibrateur mécanique et un appendice du conduit,
on obtient une structure de transmission des vibrations qui est courte,
et de faibles dimensions; grâce à ces faibles dimensions, on peut ainsi
minimiser le diamètre de l'orifice de passage qui doit être prévu dans
une paroi de l'enceinte thermique pour permettre à la pièce de liaison
de s'étendre au travers de celui-ci, du vibrateur mécanique qui est
disposé à l'extérieur de l'enceinte (par référence à cette paroi) jusqu'au
conduit disposé à l'intérieur de l'enceinte (par référence à cette paroi).
Grâce aux faibles dimensions de cette pièce (ou structure) de
transmission des vibrations, ainsi que grâce au caractère inamovible de
30 la liaison mécanique entre l'appendice et le conduit, par exemple
obtenue par soudure ou par moulage, on peut ainsi obtenir une liaison
mécanique entre le vibrateur et le conduit à faire vibrer, qui soit dotée
d'une grande raideur mécanique (statique et dynamique) et d'une pièce
-
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de transmission (connecteur) qui soit légère; à titre d'exemple, la masse
du connecteur illustré figures 1 à 7 peut être inférieure à 10 kg, par
exemple voisine de 1 à 5 kg.
Le choix préféré d'un vibrateur mécanique de type
électromagnétique permet de proposer de tels vibrateurs dont le coût est
très faible, qui sont très compacts, de faible masse, très robustes,
permettant un fonctionnement en continu et capables d'appliquer au
conduit par l'intermédiaire de l'appendice et le cas échéant du
connecteur, des efforts relativement importants, par exemple de l'ordre
lo de quelques dizaines de newtons.
Dans ce type de vibrateur mécanique alimenté en courant
alternatif avec polarisation par aimant permanent, la force fournie par
le champ magnétique alternatif est utilisée pour produire un
déplacement oscillatoire selon une direction donnée et la fréquence de
travail (c'est-à-dire la fréquence des vibrations produites) est égale à la
fréquence d'alimentation en énergie électrique, qui est de préférence
réglable ou variable en fréquence et en tension, en prévoyant
d'alimenter ce vibrateur électromagnétique par un onduleur ou
varlateur .
En proposant d'appliquer une vibration résultant d'un effort dont
le module est réglable, et de préférence dont la direction est également
réglable, on permet d'obtenir une mise en vibration du conduit avec
une amplitude nécessaire et suffisante pour diminuer ou éviter le dépôt
de sous-produits sur les parois internes du tube ou conduit disposé dans
l'enceinte thermique; les moyens décrits ci-dessus permettent d'ajuster
la fréquence d'excitation ou de mise en vibration du conduit en
fonction des fréquences propres du tube ou conduit et de celles de la
pièce de transmission des vibrations; cette mise en vibration de
manière réglable, tant en termes de module que de fréquence et de
30 direction, est particulièrement favorisée par les caractéristiques de
1 'invention.
L'enceinte peut contenir un réacteur tubulaire pouvant comporter
un tube ou plusieurs tubes dotés d'une seule entrée et d'une sortie d'un
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fluide, c'est-à-dire d'une seule passe; l'enceinte peut également contenir
plusieurs jeux de plusieurs tubes, chacun doté d'une entrée individuelle
ou commune à plusieurs tubes pour le fluide, chaque tube étant
également doté d'une sortie de fluide individuelle ou commune à
5 plusieurs tubes; l'enceinte peut contenir de deux à quatre tubes
conformés en serpentin, dotés d'une entrée individuelle pour chaque
tube et d'une sortie individuelle ou commune à plusieurs tubes;
l'enceinte peut être chauffée par des brûleurs qui peuvent être disposés
en partie inférieure (dans une zone parfois dénommée ~ sole ~) et/ou le
lo long d'un ou plusieurs côtés; il est avantageux que les brûleurs soient
disposés perpendiculairement à l'axe longitudinal des portions
rectilignes de tube et/ou perpendiculairement à un plan contenant les
axes longitudinaux de différentes sections rectilignes de tubes; les
brûleurs peuvent également être disposés de telle sorte que leur flamme
15 s'étende selon des axes parallèles aux axes des portions rectilignes de
tubes, l'axe des flammes étant colinéaire ou espacé des axes des portions
rectilignes de tubes; l'enceinte peut être constituée par un four de
craquage, tel qu'un four de vapocraquage d'hydrocarbures, qui peuvent
être gazeux à température ambiante ou liquides, tels que le naphta; de
tels produits et procédés de traitement thermique de craquage sont
décrits dans la demande internationale WO 92/11931 qui est incorporée
par la présente par référence; l'enceinte peut également être utilisée
comme échangeur de chaleur pour chauffer ou refroidir un fluide
s'écoulant dans le conduit.
Le conduit (ou réacteur tubulaire) peut comporter une ou
plusieurs portions rectilignes, par exemple de deux à vingt portions
rectilignes, qui sont raccordées en parallèle ou en série et séparées par
au moins un coude qui peut être un quart de tour ou un coude à 180~;
les sections rectilignes de tube peuvent s'étendre parallèlement les unes
30 aux autres; dans ce cas, plusieurs (par exemple de deux à six) portions
rectilignes peuvent être en partie au moins raccordées à un collecteur
commun, qui peut être situé à l'extérieur, et de préférence à l'intérieur
de l'enceinte.
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Selon un mode particulier, le conduit comporte au moins deux ou
de préférence au moins trois et au plus vingt portions rectilignes de
tubes, chacune séparée par un coude s'étendant sensiblement sur 180~,
de sorte que le courant du fluide s'écoulant dans le conduit inverse sa
direction à chaque coude par rapport à un référentiel fixe, tel qu'une
cloison de l'enceinte; le conduit a dans ce cas une forme préférée de
serpentin ou de faisceau; les portions rectilignes de tube peuvent être
disposées horizontalement ou verticalement, et certaines portions
peuvent être disposées verticalement, tandis que d'autres sont disposées
o horizontalement, qui sont plus courtes que les portions rectilignes
disposées verticalement, le rapport de la longueur des sections courtes à
la longueur des sections rectilignes longues, étant par exemple de
l'ordre de 0,05 à 0,2; la où les portions rectilignes de tube et/ou les
coudes peuvent avoir des diamètres différents; de préférence, les
portions rectilignes de tubes et les coudes ont un diamètre identique;
alternativement, le diamètre du tube peut varier le long de ce tube
et/ou du conduit, d'une section d'entrée à une section de sortie, de
manière progressive ou dégressive; les portions rectilignes de tube
peuvent avoir une longueur comprise entre 2 et 25 mètres, par exemple
comprise entre 5 et 20 mètres.
Le connecteur, c'est-à-dire la structure mécanique de transmission
des vibrations produites par le vibrateur à un ou plusieurs appendices
du conduit, est disposé entre le vibrateur et l'appendice; l'appendice est
fixé ou bien fait partie intégrante d'une portion du conduit, et plus
particulièrement fait partie intégrante d'un coude du conduit.
Les nombreux avantages procurés par l'invention seront mieux
compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins
annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes
préférentiels de réalisation de l'invention.
Sauf indication contraire, des repères numériques identiques dans
les différentes figures, désignent des éléments identiques ou similaires.
La figure 1 illustre en vue schématique en coupe, par un plan
vertical, un appareil de craquage thermique d'hydrocarbures
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14
comportant un four muni de brûleurs et équipé d'un système de mise en
vibration du conduit, dans lequel circulent des hydrocarbures devant
subir la réaction de craquage, conformément à l'invention, et est une
vue selon B-B' de la figure 3.
s La figure 2 illustre, de la même manière que la figure 1 et à une
échelle agrandie, un mode de réalisation des moyens de mise en
vibration du conduit.
La figure 3 illustre en vue en coupe schématique par un plan
vertical, l'appareil de la figure 1, et est une vue selon A-A' de la figure
10 1.
La figure 4 est une vue selon G de la figure 1, et à une échelle
agrandle
La figure 5 illustre en vue en coupe schématique la structure de
transmission des vibrations des figures 1 à 4, à une échelle agrandie, et
est également une vue selon G de la figure 1.
La figure 6 est une vue selon F de la figure 5.
La figure 7 illustre en vue en perspective schématique un conduit
comportant 3 portions tubulaires identiques en forme générale de U,
qui sont disposées cote à cote et chacune équipée d'un support respectif,
20 les trois supports étant reliés à un seul vibrateur.
La figure 8 illustre en vue en élévation schématique un conduit
conformé en serpentin, dont un coude porte un appendice servant de
prise de mesure; la figure 9 illustre à une échelle agrandie en vue en
coupe par un plan vertical, le coude et l'appendice de la figure 8.
La figure 10 illustre de la même manière que la figure 9 une
variante de l'invention dans laquelle un coude est équipé d'un moyen de
guidage constituant un appendice utilisé conformément à l'invention.
Par référence aux figures 1 à 6 particulièrement, on opère dans un
four de vapocraquage d'hydrocarbures pour fabriquer des oléfines,
décrit schématiquement aux figures 1 et 3 (selon des coupes
orthogonales B-B' et A-A'). Les figures 2 et 4 montrent respectivement
un détail des figures 1 et 3 aux alentours du coude 11 du conduit 4 et
notamment le moyen mécanique de suspension 14 et le dispositif de
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vibration. Le four comporte une enceinte thermique 1 délimitée par une
paroi 2 en matériau réfractaire, une série de brûleurs 3 disposés le long
de cette paroi et notamment sur les parois latérales 41, 42 et le fond 43
du four. Une série de plusieurs conduits en parallèle non représentés sur
les figures 1 à 4 traversent l'enceinte 1. Seul un conduit 4 y est
représenté schématiquement. Le conduit 4 est essentiellement constitué
d'une succession de tronçons rectilignes de tube 5, 6, 7, 8 reliés entre
eux par des tronçons curvilignes de tube ou coudes 9, 10, 11 s'étendant
sur 90~. Le conduit 4 a essentiellement la forme d'un ~ U ~ tel que
o représenté sur la figure 1. Les branches verticales 5 et 7 (d'axe
longitudinal respectif 25, 27) et la branche horizontale 6 (d'axe
longitudinal 26) du conduit en ~ U ~ ont respectivement comme
longueur 47 des valeurs proches de 12 mètres, 12 mètres et 1,5 mètre. Le
diamètre interne du conduit et son épaisseur sont respectivement de 48
millimètres et 5 millimètres environ. Les hydrocarbures soumis au
vapocraquage s'écoulent dans le conduit 4 en ~ U ~ en y pénétrant selon
la flèche 12 à la figure 1 et en y sortant selon la flèche 13 aux figures 3
et 4. A la fin de la portion du conduit en forme de ~ U ~ (figure 1), le
conduit forme un coude 11 faisant un angle de 90~ par rapport au plan
formé par le ~ U ~ à la figure 1, et se poursuit ainsi comme montré à la
figure 3 par le tronçon rectiligne de tube 8 d'axe longitudinal 28
sensiblement horizontal.
Dans le coude 11 est disposé un moyen mécanique de suspension
14 destiné à supporter le conduit 4 et formant un appendice de celui-ci,
qui est relié à un support fixe 15 disposé à l'extérieur de l'enceinte 1,
par l'intermédiaire d'une suspension mécanique 16 telle qu'un ressort.
Le moyen mécanique de suspension 14 est essentiellement
constitué par une pièce métallique triangulaire, comme montré
schématiquement aux figures 3 à 5. La figure 5 montre un détail de la
30 figure 4 concernant le vibrateur, le connecteur et leurs moyens
d'attache. Ce moyen mécanique 14 comporte une partie externe 17
disposée à l'extérieur de l'enceinte 1 et qui émerge ainsi hors de
l'enceinte à travers un orifice 18 percé dans la paroi 2 de l'enceinte. A
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16
la partie externe 17 du moyen mécanique de suspension, on fixe un
connecteur mécanique rigide 19 (lui-même constitué par l'assemblage de
pièces métalliques illustrées figures 5 et 6) relié à un vibrateur
mécanique 20, à l'aide de boulons et vis 21. Les détails du connecteur 19
et de ses moyens d'attache 21 apparaissent plus clairement aux figures 4
à 6. La longueur 22, la largeur 23 à la base et l'épaisseur 24 de la plaque
métallique 14, 17 de forme sensiblement triangulaire constituant
essentiellement le moyen mécanique de suspension sont respectivement
de 800, 220 et 20 millimètres. La longueur 30, la largeur 32 et
lo l'épaisseur 31 du connecteur 19 sont respectivement de 70 millimètres,
50 millimètres et 10 millimètres. Le vibrateur mécanique 20 produit
essentiellement des vibrations selon un axe 33 horizontal
perpendiculaire à l'axe 27, selon lequel s'étend le tronçon de tube 7 et
l'appendice métallique 14,17.
Par référence aux figures 4 à 6, l'appendice 14 est muni dans sa
partie supérieure 17 d'un orifice 45 (d'axe 46) par lequel le ressort 16 de
soutien du conduit est fixé à l'appendice.
Le connecteur 19, est essentiellement constitué d'une chape ou
mâchoire 34 soudée (soudure 40) en partie supérieure 17 de l'appendice
14; cette chape est prolongée par une plaque 35 de forme rectangulaire,
elle même fixée par des boulons 21 à une deuxième plaque 36 qui lui fait
face; une bride 37 est soudée à une extrémité de la plaque 36; le
vibrateur 20 est fixé à cette bride 37 par une deuxième bride 38 dont il
est pourvu et par l'intermédiaire de vis 39, et est ainsi monté en porte à
faux (ou suspendu) à l'appendice 14,17.
Dans les conditions industrielles de vapocraquage
d'hydrocarbures, en particulier de naphta, le conduit 4 est chauffé par
les brûleurs 3 dans l'enceinte 1, de telle sorte que le mélange soit à une
température allant de 650~ à 830~C entre l'entrée et la sortie de
30 l'enceinte. Le mélange de naphta et d'eau s'écoulant dans le conduit 4
est dans un rapport pondéral naphta/eau de 100/40. Pendant la réaction
de vapocraquage, le vibrateur 20 par l'intermédiaire du connecteur 19 et
du moyen mécanique de suspension 14, transmet au conduit 4 une
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vibration à une fréquence substantiellement proche (à 5 % près) d'une
première fréquence propre de résonance du conduit 4, qui est située
dans la gamme allant de 40 à 65 Hertz; les tronçons 7 sont ainsi soumis
à une vibration mécanique transversale sous cette fréquence.
5 L'amplitude de la vibration au voisinage des ventres de vibration
apparaissant le long des tronçons 7, mesurée selon un axe parallèle à
l'axe longitudinal 33 du vibrateur 20, est de l'ordre de un dixième de
millimètre. On observe dans ces conditions, que le dépôt de coke à
l'intérieur du conduit 4 est très fortement réduit, de telle sorte que les
10 arrêts du four pour procéder au décokage sont beaucoup plus espacés au
cours du temps; on répète cet exemple en transmettant une vibration
proche d'autres fréquences propres du conduit qui sont situées entre 20
à 40 Hertz, puis ultérieurement entre 60 et 100 Hertz et on observe des
résultats similaires.
IS Dans une variante de réalisation illustrée figure 7, on opère
exactement comme décrit précédemment par référence aux figures 1 à 6,
excepté que plusieurs conduits 4 en parallèle, par exemple trois conduits
4 tels que représentés schématiquement en perspective ~ cavalière ~ à la
figure 7, passent au travers de l'enceinte (non représentée). Ces conduits
4 sont tous identiques à ceux décrits précédemment. Une différence avec
l'exemple précédent vient du fait que le vibrateur 20 n'est pas relié à un
seul moyen mécanique de suspension 14 par l'intermédiaire du
connecteur 19, mais à plusieurs (dans le présent exemple, à trois)
moyens mécaniques 14 de suspension respective de chacun des conduits
4, qui sont reliés ensemble par une liaison mécanique commune rigide
29, sous la forme d'une tige mécanique solidement fixée à tous ces
moyens mécaniques 14, elle-même reliée au vibrateur 20 par
l'intermédiaire du connecteur 19, et d'une liaison rigide 48 dudit
connecteur 19 à ladite tige 29.
Dans ces conditions, on n'utilise qu'un seul vibrateur pour faire
vibrer les trois conduits 4 en même temps; on observe de la même
façon un faible dépôt de coke dans l'ensemble de ces conduits.
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Par référence aux figures 8 et 9, on opère dans un four de
vapocraquage d'hydrocarbures pour fabriquer des oléfines, décrit
schématiquement à la figure 8, qui montre un conduit 4 sous la forme
d'un serpentin 52 essentiellement constituée par des tronçons rectilignes
5 parallèles entre eux, d'axe longitudinal 25, qui sont reliés par des
coudes 11 à 180~ et disposés dans une enceinte thermique constituée par
un four 1 comprenant une zone 51 de radiation et des brûleurs (non
représentés). Le conduit comprend dans l'un de ses coudes 11 un "puits
thermométrique" 50 sous la forme d'un fourreau cylindrique rigide 56
10 d'axe longitudinal 54 parallèle à l'axe 25, dont l'extrémité obturée 53
pénètre dans le coude 11, et comprenant à l'intérieur du fourreau un
thermocouple 58.
Le fourreau 56 émerge hors de l'enceinte du four 1 par un orifice
18 ouvert à travers la paroi 2 de l'enceinte. La partie du fourreau 56
externe au four est reliée à un vibrateur mécanique 20 par
l'intermédiaire d'un connecteur rigide 19 et des boulons et vis 21. La
figure 9 montre schématiquement le coude 11 du conduit, le "puits
thermométrique" 50, le fourreau 56, le thermocouple 58, le vibrateur
mécanique 20, le connecteur rigide 19 et les boulons et vis 21. De
préférence, une pièce métallique 57, de forme sensiblement triangulaire
est fixée par des soudures 59 au coude 11 et au fourreau 56 pour rendre
l'ensemble plus rigide et solidaire.
Le vibrateur mécanique 20 est un vibrateur électromagnétique et
produit des efforts périodiques dirigés selon l'axe 33 s'étendant
transversalement par rapport aux axes 25 et 54, lesquels efforts
provoquent des vibrations transversales des tronçons 5.
Dans les conditions industrielles de vapocraquage
d' hydrocarbures évoquées ci-dessus et pendant la réaction de
vapocraquage, le vibrateur 20 par l'intermédiaire du connecteur 19 et du
30 fourreau 56, transmet au conduit 4 une vibration à une fréquence
proche à 5 % près d'une fréquence propre de résonance du conduit 4 qui
est située dans la gamme allant de 40 à 65 Hertz, ledit conduit étant
ainsi soumis à une vibration mécanique transversale sous cette
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fréquence. (Amplitude de la vibration: de l'ordre de 1/10 de
millimètre). On observe dans ces conditions, que le dépôt de coke à
l'intérieur du conduit 4 est très fortement réduit, de telle sorte que les
arrêts de décokage sont plus espacés au cours du temps; on répète cet
s exemple en transmettant une vibration proche d'autres fréquences
propres du conduit qui sont situées entre 20 à 40 Hertz, puis
ultérieurement entre 60 et 100 Hertz et on observe des résultats
.
slmllalres .
Le conduit 4 est réalisé dans un matériau tel qu'un acier
0 spécialement choisi pour notamment résister aux températures élevées
(par exemple de l'ordre de 500~C à 1 150~C ou même 1 500~C) régnant
dans l'enceinte; les différents éléments (coudes 11 et tronçons droits 5
de tubes) constituant le conduit 4, sont généralement assemblés entre
eux par soudures, telles que celles représentées schématiquement figure
10 et repérées 40, qui sont prévues à l'interface ou jonction entre
l'extrémité 64 des tronçons droits 5 parallèles entre eux et d'axe
longitudinal 25, et le coude 11.
Dans la variante de réalisation illustrée figure 10 des efforts
alternatifs appliqués à l'appendice 60 par le vibrateur 20 sont dirigés
selon un axe 33 s'étendant radialement par référence à l'axe 54
longitudinal de l'appendice 60 (qui est parallèle à l'axe 25).
Dans ce mode de réalisation, l' appendice 60 et le coude 11
constituent une seule pièce métallique; cette pièce comporte une
première partie formant les parois 62 du coude 11, une deuxième partie
(centrale) 61 de liaison et une troisième partie 63 d'extrémité en forme
de tige qui s'étend au travers de l'orifice 18 prévu dans la paroi 2 du
four; cette partie 63 coopère avec l'orifice 18 pour guider le coude (et
le conduit) dans ses déplacements (par rapport à la paroi 2) dus à la
dilatation du conduit sous l'effet de la température régnant dans le four.
L'onduleur d'alimentation du vibrateur peut être choisi parmi
ceux proposés par la Société TELEMECANIQUE.
Dans les modes de réalisation illustrés figure 8 à 10, l'axe 33
d'application des vibrations est parallèle à (par exemple confondu avec)
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un plan contenant les axes longitudinaux 25 des tronçons droits de tube
du serpentin; dans une variante préférée (non représentée), cet axe 33
peut etre incliné (notamment perpendiculaire) par rapport à ce plan.
