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DISPOSITIF ET MÉTHODE DE LIAISON Ä ÉTANCHÉITÉ RELATIVE ET
CONTRÖLEE ENTRE UN CONDUIT ET UN TUBE CÉRAMIQUE
La présente invention concerne un dispositif de liaison entre une pièce
métallique
creuse et un tube céramique destiné à être utilisé dans des applications
hautes
températures, telles que les échangeurs thermiques et les réacteurs fortement
exothermiques ou endothermiques utilisés pour la mise en oeuvre de réaction
telle
que, par exemple, les réactions de vapocraquage, de pyrolyse, de
déshydrogénation catalytique, ou de vapo-reformage. Plus particulièrement,
1o I~invention trouve son application dans les réacteurs endothermiques dans
lesquels la température est habituellement comprise entre 600 et
1200°C, et où
l'un des problèmes à résoudre est de limiter les réactions secondaires
conduisant
à la formation de goudron et/ou de coke.
De nombreux documents décrivent des réacteurs fonctionnant à haute
température dans un milieu potentiellement cokant où les effets catalytiques
des
parois métalliques doivent être évités. De ce point de vue, les matériaux
céramiques plus stables sont moins précurseurs de coke. On peut se référer à
l'article "Wall catalysis: a fundamental phenomenon in high-temperature
2o hydrocarbons systems and its influence on the soot formation" (G. PERUGINI
&
al., Energy and Ceramics - Proceedings of the 4'" International Meeting on
Modern Ceramics Technologies, Saint-Vincent, Italy, (1979), pp. 1268-1279) qui
montre une absence de formation de coke catalytique sur des oxydes céramiques
stables en milieu carburant contenant de l'hydrogène pour des températures
supérieures à 1000°K.
De plus; dans les réacteurs de vapocraquage pour lesquels cette invention est
particulièrement bien adaptée, l'optimum entre conversion et sélectivité est
obtenu en augmentant la quantité de chaleur apportée à la réaction et en
3 o réduisant le temps de séjour du réactif. Ce concept mis en pratique dans
les fours
dit "millisecondes" utilisé en vapocraquage est aujourd'hui le procédé préféré
de
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transformation des hydrocarbures saturés en oléfines dans l'industrie
pétrochimique. Dans ce contexte, l'utilisation de matériaux céramiques
acceptant
des températures de fonctionnement plus importantes que les matériaux
métalliques est largement rencontrée dans la littérature.
Le brevet US 6,312,652 décrit l'utilisation de tubes céramiques à double
enveloppe pour la production d'éthylène dans des fours de vapocraquage à très
court temps de séjour. Dans cette application, les tubes sont disposés
verticalement, suspendus à leur partie supérieure dans la zone radiative du
four.
Dans ce brevet, il n'est fait à aucun moment mention de jonctions entre des
parties métalliques et des parties céramiques, comme selon notre invention.
Le document FR 99/15 497, décrit un dispositif de liaison souple entre un tube
d'échange de chaleur céramique et une enveloppe métallique comprenant
essentiellement un presse étoupe conventionnel pour lier un tube et un
soufflet
métallique fixé à l'enveloppe. Dans ce dispositif, les moyens de liaisons
entre le
tube céramique et le presse étoupe sont composés d'isolants thermiques poreux.
Ce dispositif ne concerne pas une liaison à étanchéité relative et contrôlée.
Le brevet US-6,454,274 présente un dispositif d'assemblage entre une membrane
céramique tubulaire et un tube métallique, ladite membrane céramique étant
maintenue par l'effort de friction généré par la compression de joints
céramiques
disposés autour de ladite membrane céramique et à l'intérieur du tube
métallique.
Dans cette configuration, le dispositif de maintien du tube limite son
utilisation à
des applications verticales dans le cas de tube de grande longueur et de poids
élevé. Les applications visées dans le brevet US-6,454,274 sont des
séparations
en phase gaz par membrane et non pas le domaine d'application où le réactif
circulant est cokant.
Le brevet US 5,133,577 présente un dispositif de liaison pour l'assemblage
d'un
tube céramique sur un tube métallique sans garniture de joint entre les tubes.
Dans cette configuration, le débit de fuite d'un gaz d'étanchéité de
l'extérieur vers
l'intérieur des tubes ne peut pas être contrôlé.
D'une façon générale, les dispositifs de liaison, avec ou sans joint
céramique,
décrits dans ces brevets, réalisent une étanchéité relative non contrôlée,
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particulièrement génante en présence de certains gaz comme l'hydrogène qui
diffuse très facilement.
La présente invention remédie notamment à ce problème en permettant un
confinement total et absolu du réactif au niveau de la liaison, et en
réalisant une
étanchéité relative et contrôlée par la coopération d'un premier moyen
mécanique
d'étanchéité et d'un second moyen dynamique obtenu par un gaz de balayage.
Dans l'ensemble du texte l'expression "tube céramique" est à considérer au
sens
large et se réfère à tout élément présentant un volume interne, de préférence
à
section circulaire, de surface interne et/ou externe plane ou non pour
favoriser les
échanges thermiques. Un tube céramique pourra être composé d'une série de
tubes céramiques élémentaires reliés entre eux par un dispositif selon
l'invention.
L'expression "pièce métallique" est à prendre au sens de toute enceinte
présentant d'une part une partie creuse communiquant par l'intermédiaire du
dispositif selon l'invention avec le volume interne du tube céramique.
La pièce métallique dont il est question dans la présente invention peut être
un
simple tube, une clarinette distribuant une pluralité de tubes métalliques en
parallèle, un collecteur, un distributeur, ou toute autre pièce de fonction
analogue.
Ainsi, l'invention concerne un dispositif de liaison à étanchéité relative et
contrôlée
entre un conduit et un tube céramique comprenant
- une enceinte cylindrique fixée de façon étanche audit conduit, une
extrémité du tube céramique étant disposée à l'intérieur de ladite enceinte,
- des moyens d'étanchéité composés d'au moins deux jeux de garnitures
disposés dans l'espace annulaire entre le tube céramique et l'enceinte,
- d'une entretoise intercalée entre les deux jeux,
- des moyens de compression desdites garnitures,
- des moyens d'injection d'un fluide entre les deux jeux de garnitures
d'étanchéité, de façon à appliquer un différentiel de pression déterminé sur
chacune des garnitures.
Selon une variante de l'invention, l'extrémité du tube céramique peut être
séparée du conduit par une,pièce formant butée, ladite pièce ayant une
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résistance à la rupture en compression inférieure à la fois à la résistance du
tube céramique et à celle dudit conduit.
Selon une autre variante, ladite enceinte peut comporter une double paroi
définissant un espace intérieur dans lequel circule un fluide caloporteur.
Selon une autre variante de l'invention, ledit espace intérieur peut
communiquer avec l'espace entre garnitures.
L'enceinte peut être généralement réalisée en acier réfractaire à haute
résistance
thermique.
Le tube céramique peut être généralement réalisé en céramique étanche telle
que: Silice-alumine, Mullite, Alumine, Zircone ou carbure de silicium, et
préférentiellement en carbure de silicium.
La pièce de butée peut être composée d'un matériau de type silicate comprimé
renforcé par des fibres et avoir une résistance à la rupture en compression
inférieure à la plus petite des résistances du tube céramique d'une part, et
de
l'enceinte cylindrique ou du conduit d'autre part.
Les garnitures d'étanchéité peuvent étre composées de fibres de types silico-
alumineuse, alumine, zircone ou graphite. Dans certains cas, les fibres des
garnitures peuvent être imprégnées d'un matériau céramique, ou métallique.
Dans d'autres cas, au moins une des garnitures d'étanchéité peut être composée
de poudre céramique.
Le fluide caloporteur circulant à l'intérieur de l'enceinte cylindrique peut
étre de la
vapeur d'eau.
Dans certaines applications de l'invention, le conduit peut être un tube
identique
au tube céramique, l'extrémité de chacun des tubes céramiques étant disposées
dans ladite enceinte et liées à l'enceinte par des moyens d'étanchéité
identiques,
de façon à former une liaison entre deux tubes céramiques.
L'invention concerne aussi une méthode de contrôle de la liaison étanche du
dispositif selon l'invention qui consiste dans les étapes suivantes:
- on mesure la différence de pression entre le réactif présent dans le conduit
et
ledit fluide,
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- on règle la différence de pression pour maintenir une fuite de balayage vers
l'intérieur du tube.
Le dispositif selon l'invention peut s'appliquer plus particulièrement, sans
que ces
indications constituent une limitation, aux installations de vapocraquage, de
5 pyrolyse, de déshydrogénation catalytique, ou de vaporeformage.
Dans le cas d'application à une installation de vapocraquage, le réactif peut
être à
haute température, préférentiellement entre 600 et 1200°C.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit
d'exemple
de réalisations, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-après
annexées,
l0 parmi lesquelles:
- La figure 1 montre une vue en coupe longitudinale du dispositif suivant
l'invention.
- La figure 2 montre une vue en coupe longitudinale du dispositif suivant
l'invention dans une configuration à double enveloppe permettant le
refroidissement de l'enceinte par un fluide caloporteur.
- La figure 3 montre schématiquement un réacteur utilisant le dispositif
suivant
l'invention_et le système de contrôle de pression mis en oeuvre pour réaliser
le
balayage dynamique.
- La figure 4 montre une vue en coupe d'une configuration à plusieurs
dispositifs
dans une même enceinte de refroidissement, correspondant à plusieurs tubes
céramiques.
- La figure 5 montre un exemple d'application du dispositif selon l'invention
à un
four de vapocraquage.
- La figure 6 montre une vue en coupe du dispositif suivant l'invention dans
la
variante d'une liaison entre deux tubes céramiques.
La figure 1 montre une vue en coupe du dispositif de liaison suivant
l'invention
entre une pièce métallique de forme tubulaire (1 ) réalisé généralement en
acier
réfractaire tel que par exemple Haynes 230, Haynes 214, Incoloy 800, Incoloy
601, Incoloy MA956, ou Kanthal APM, et un tube céramique de section
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cylindrique (7) réalisé en céramique étanche tel que, par exemple en Silice-
alumine, Mullite, Alumine, Zircone ou carbure de silicium.
Ce dispositif comprend une enceinte métallique cylindrique, ou manchon (5)
relié
de façon étanche au tube métallique (1 ) à une de ses extrémités et comportant
une bride à l'autre extrémité. L'extrémité d'un tube céramique (7) est
disposée
dans le manchon (5) en opposition audit tube (1 ). Une rondelle de butée (2)
en
silicate et fibre dure est positionnée entre les extrémités des tubes
métallique (1 )
et céramique (7). Une première série de garniture d'étanchéité en fibre
céramique
(3) est placée dans l'espace annulaire défini par l'intérieur de l'enceinte et
l'extérieur du tube céramique, en appui rigide sur la rondelle (2). Une
entretoise
(4) est intercalée entre la première série de garniture (3) et une deuxième
série de
garniture (3'). Un anneau de compression formant un second appui rigide (4')
complète l'empilage jusqu'à une contre bride métallique (6).
L'enceinte comporte une ouverture d'entrée, par exemple de gaz inerte (8)
permettant l'introduction d'un fluide dans l'espace (9) compris entre les deux
jeux
de garniture (3) et (3'). Pour cela, l'entretoise (4) est ajourée de façon que
la
circulation du fluide autorise l'application de la pression sur les deux faces
des
garnitures d'étanchéité (3) et (3').
Dans cette configuration, le tube métallique (1) servant de conduit de
communication avec l'intérieur du tube céramique, et le tube céramique (7)
sont
séparés par une pièce de butée en forme d'anneau (2) de type silicate comprimé
renforcé par des fibres tels que par exemple Monalite 1000, Duratec 1000 ou
Salü 1000. Le matériau peut présenter un taux de déformation par compression
supérieur à celui des matériaux constituant le tube céramique et la pièce
métallique. De cette façon, en cas de déplacement relatif entre les tubes,
cette
butée peut se déformer sans endommagement des tubes. De préférence, la pièce
de butée est en matériau dont la résistance à la compression est telle que
celle-ci
casse avant le tube céramique, et/ou l'enceinte ou le conduit.
L'effort radial des garnitures d'étanchéité sur le tube céramique, nécessaire
à la
fois au maintien du tube et à l'étanchéité, est obtenu par déformation des
garnitures d'étanchéité (3) et (3') sous l'effet d'un effort de compression
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longitudinal obtenu par le serrage de la contre bride (6) sur la bride de
l'enceinte
cylindrique (5). La contre bride (6) s'appuie sur l'anneau de compression (4')
présenté ici sous la forme d'une rondelle métallique ou céramique. Ainsi, la
première garniture (3) est comprimée longitudinalement entre l'anneau de butée
(2) et l'entretoise (4) pour exercer un premier effort de serrage radial sur
le tube
(7). La garniture (3') est comprimée longitudinalement entre l'entretoise (4)
et
l'anneau de compression (4') pour exercer un second effort de serrage radial
sur
le tube (7). La combinaison de ces deux efforts de serrage espacés de la
largeur
de l'entretoise assure le maintien longitudinal, latéral, et angulaire du tube
céramique.
Les deux jeux de garniture d'étanchéité (3) et (3') sont constituées chacun
d'une
ou plusieurs garnitures en fibres de types par exemple silico-alumineuse,
alumine,
zircone ou graphite, avec ou sans imprégnation de particules céramiques
(AI203,
Zr02, MgO...), ou métalliques (Si, Au...).
Ces moyens d'étanchéité ont une efficacité qui est fonction du taux de
compression qui leur est appliqué. Cette efficacité se traduit par un débit de
fuite
approprié d'un fluide, par exemple un gaz inerte, qui est injecté par
l'orifice
d'entrée (8) situé sur l'enceinte métallique (5) et débouche dans l'espace
annulaire (9) défini entre l'extérieur du tube céramique et l'intérieur de
l'enceinte.
Par la nature et la longueur des garnitures, il est possible d'ajuster, pour
un
différentiel de pression donné entre les deux faces des garnitures, le débit
de fuite
le long des garnitures d'étanchéité (3) et (3').
Par le choix de ce différentiel par rapport à la pression environnante,
généralement la pression atmosphérique, il est possible d'ajuster pour une
nature
et un volume donnés de garniture, la répartition des débits de gaz inerte
rejoignant le réactif d'une part, et s'écoulant dans l'environnement extérieur
d'autre part.
Par exemple, pour limiter l'injection de gaz inerte, ou autre fluide, dans le
réactif
circulant à l'intérieur des tubes, on pourra réguler la pression du gaz inerte
en
fonction de la pression du réactif pour établir une contre pression juste
nécessaire
pour que la quantité de fuite de gaz inerte assure le balayage des garnitures
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d'étanchéité (3) requis pour leur préservation, par exemple vis-à-vis d'un
vieillissement accéléré consécutif au cokage,
Compte tenu du fait que les différentiels de pression ne sont pas les mêmes
pour
chacun des jeux de garnitures, celles-ci peuvent être de nature et/ou de
longueur
différentes afin de contrôler différemment les fuites externes et les fuites
internes.
La figure 2 montre une vue en coupe d'une variante du dispositif dans le cas
où
le manchon, ou enceinte, métallique (15) est réalisé avec une double paroi
pour
permettre la circulation d'un fluide caloporteur assurant le refroidissement
de
l'ensemble de liaison et d'étanchéité, le fluide circulant dans l'espace
interne (19)
l0 de la double enveloppe.
Le fluide caloporteur pénètre dans l'enceinte métallique à double enveloppe
(15)
par l'entrée (20), circule dans l'espace (19) puis est évacué par la sortie
(21 ). Ce
fluide peut être le gaz inerte utilisé pour balayer les moyens d'étanchéité
(3) et (3')
en utilisant dans ce cas le même réseau d'alimentation. Si la nature du fluide
est
différente, il circule alors dans un réseau indépendant à basse pression et
fort
débit. Le fluide caloporteur peut être liquide dans certains cas.
Les moyens d'étanchéité et de maintien peuvent être similaires à ceux de la
figure 1.
La figure 3 montre un exemple de configuration de réacteur utilisant le
dispositif
de la présente invention qui comprend une enceinte externe (31 ) comprenant
une
entrée de réactif (32), un distributeur (40), des tubes céramiques (34), des
dispositifs de liaison selon l'invention (35), un collecteur (41), une sortie
de réactif
(33) et des systèmes d'apport d'énergie calorifique (37).
Dans cet exemple, le réactif pénètre dans l'enceinte (31 ) par l'entrée (32),
est
réparti dans les différents tubes céramiques (34) par le distributeur
métallique
(40), circule dans les tubes céramiques, par exemple positionnés
horizontalement, et réagit sous l'action de la chaleur apportée par les
brûleurs
(37) dans le volume interne (42) de l'enceinte (31 ), puis est évacué vers la
sortie
(33) par le collecteur métallique (41). Aux extrémités de chaque tube
céramique
_30 (34), des dispositifs de liaison suivant l'invention relient les tubes
céramiques au
distributeur (40) et au collecteur (41 ). Le volume interne de l'enceinte (42)
est à
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pression atmosphérique et le réactif circulant dans les tubes céramiques est à
une pression supérieure à la pression atmosphérique.
Les dispositifs de liaison (35) sont reliés individuellement et collectivement
à un
réseau d'alimentation de gaz inerte (36) dont la pression d'alimentation est
régulée par une vanne (43). Cette régulation est effectuée par le moyen d'un
contrôleur (38) qui agit en fonction de la mesure de la différence de pression
(39)
entre le réseau d'entrée de gaz inerte (36) et l'entrée du réactif (32). La
différence
de pression est maintenue positive à une valeur définie initialement en
fonction
des moyens d'étanchéité mis en place dans les dispositifs de liaison (35) et
du
débit de gaz inerte de balayage souhaité. La valeur de ce différentiel de
pression
est généralement comprise entre 1 millibar et 1 bar, et préférentiellement
comprise entre 10 millibars et 500 millibars.
De cette façon, les éventuelles variations de pression du réactif sont prises
en
compte immédiatement afin de maintenir constant le différentiel de pression en
1S agissant sur le débit de gaz inerte.
La figure 4 montre un exemple de configuration de dispositifs de liaison, dans
le
cas d'un faisceau _de tubes céramiques, utilisant le même réseau
d'alimentation
en gaz inerte et en fluide caloporteur.
Une enceinte métallique (50) comprend une pluralité de dispositifs de liaison
à
étanchéité relative et contrôlée (51) suivant l'invention et une pluralité de
tubes en
céramique (52). Une pièce métallique creuse (53) est reliée à l'enceinte (50)
par
une pluralité d'orifices (54) sensiblement alignés avec les tubes céramiques
(52)
de l'enceinte (50). Le réactif pénètre dans la pièce métallique creuse (53)
par
l'entrée (55), passe par les orifices de forme tubulaire (54) dans les tubes
céramiques (52) fixés par les dispositifs de liaison (51 ) dans l'enceinte
(50).
Le gaz inerte de balayage pénètre dans l'enceinte (50) par l'entrée (56),
circule
dans le volume creux (57) puis pénètre dans la pluralité de dispositifs de
liaison
(51 ) par la pluralité d'orïfices (59).
Dans cet exemple, le gaz inerte joue également le rôle de fluide caloporteur.
La configuration décrite est un exemple illustratif et de nombreuses
configurations
non décrites, comportant par exemple une pluralité d'entrées de réactif ou une
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pluralité d'entrées de gaz de balayage, peuvent être réalisées sans s'écarter
de
l'esprit et du champ d'application de la présente invention. Egalement, des
entrées de gaz inerte peuvent être séparées des entrées du fluide caloporteur,
de
façon à permettre l'utilisation de deux fluides différents.
5 La figure 5 montre une application industrielle du dispositif selon
l'invention à un
four de vapocraquage utilisant une pluralité de dispositifs de liaison à
étanchéité
contrôlée (76) et (77) connectés à une alimentation commune de gaz inerte
(79).
Le dispositif selon l'invention permet d'utiliser des tubes en matériau
céramique
dans la zone de radiation à la place des tubes métalliques utilisés dans les
fours
10 classiques.
L'exemple choisi est un four de vapocraquage de naphta pour la production
d'oléfines. Le gaz inerte dans ce cas est de la vapeur d'eau.
La charge naphta (70) pénètre dans la zone convective du four (72) en
circulant à
l'intérieur d'un faisceau convectif (69), se préchauffe par échange de chaleur
convectif avec les fumées (84), puis se mélange avec la vapeur d'eau (71 )
introduite dans le faisceau convectif (69) contenant !a charge.
Le mélange de charge et de vapeur d'eau ainsi formé est amené parla conduite
(82) jusqu'au distributeur métallique (74) sur lequel les tubes céramiques
(80)
sont fixés par une pluralité de dispositifs de liaison à étanchéité contrôlée
(76)
selon l'invention, par exemple selon la représentation de la figure 4.
Le mélange de charge et de vapeur d'eau traverse la zone radiative (73) au
travers des tubes céramiques (80), réagit sous l'effet de la chaleur produite
par
les brûleurs (78), puis est évacué dans le collecteur métallique (75) par une
pluralité de dispositifs d' étanchéité (77) suivant l'invention telle que
représentée
figure 4. L'effluent résultant de la réaction de vapocraquage est ensuite
refroidi
dans les échangeurs (81 ) reliés au collecteur (75), puis évacué vers une
ligne de
transfert non représentée ici.
Le débit de vapeur de balayage (79) est régulé par la vanne (83) pour
maintenir
une différence de pression positive entre l'entrée de la vapeur de balayage au
, _ niveau des dispositifs de liaison à étanchéité contrôlée (76) et (77), et
l'entrée du
mélange naphta/vapeur de dilution dans le distributeur métallique (74).
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Cette différence de pression est mesurée par le capteur (85), l'information
étant
transmise au contrôleur (86) qui commande la vanne (83) de régulation.
De cette façon, on assure le confinement du fluide de procédé grâce aux
dispositifs de liaison à étanchéité contrôlée (76) et (77).
Par exemple pour cette application, on peut dimensionner les dispositifs de
liaison
à étanchéité contrôlée pour que le débit de vapeur de balayage reste inférieur
à
10% du débit de vapeur consommé par le procédé. Pour une pression de
procédé de 2 bars, la régulation de la différence de pression à 0,5 bar,
correspondant à une pression de vapeur de balayage de 2,5 bars, donne la
répartition suivante : environ 30% du débit de vapeur de balayage pénètre dans
les tubes céramiques (80), et environ 70% de ce même débit fuit dans la
chambre
radiative du four (73).
Ainsi, le débit de vapeur de balayage introduit dans le procédé par les
dispositifs
de liaison à étanchéité contrôlée (76) et (77) ne représente qu'environ 3% du
débit total de vapeur consommé par le procédé.
Le choix du niveau de surpression de la vapeur de balayage dépend en partie
des fluctuations de pression du fluide de procédé. Dans le cas présent, ces
fluctuations sont typiquement inférieures à 0,3 bar, les 0,2 bar
supplémentaires
correspondent à une sécurité, mais pourraient être diminués, ce qui conduirait
alors à un débit de fuite plus faible.
De manière générale, le niveau de surpression dans une application sera choisi
de manière à conduire à des débits de fuite du gaz de balayage qui
représenteront des pourcentages aussi limités que possible par rapport au
débit
de fluide de procédé.
Des débits de vapeur de balayage différents entre les dispositifs de liaison
(76)
d'entrée et de sortie (77) peuvent être nécessaires pour tenir compte des
différences de pression et de température en entrée et en sortie des tubes
céramiques (80). Dans ce cas, les débits sont régulés séparément.
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La figure 6 montre une vue en coupe du dispositif selon l'invention dans le
cas
particulier d'une liaison entre deux tubes céramiques (101) et (102).
Ce dispositif comprend une enceinte métallique (114) fermée par brides à ses
deux extrémités, comportant deux entrées de gaz inerte (112) et (113)
traversant
l'enceinte métallique (114) et débouchant respectivement dans un volume (108)
et (109), une garniture silicate et fibre dure (105) positionnée entre les
deux tubes
(101 ) et (102), quatre séries de garniture d'étanchéité en fibre céramique
(103),
(103'), (106) et (106'), deux entretoises permettant la circulation de gaz
inerte
(104') et (107') et deux anneaux (104) et (107) en appui respectivement sur
les
contres brides (110) et (111).
Le serrage des deux contres brides (110) et (111 ) assurent la compression des
garnitures d'étanchéité (103), (103'), (106) et (106') soit entre deux appuis
rigides
pour les garnitures d'étanchéité (103) et (106'), soit entre un appui rigide
et la
garniture silicate et fibre dure (105) pour les garnitures d'étanchéité (103')
et
(106).
Le dispositif est ainsi composé de deux dispositifs suivant la figure 1
disposés en
série, le confinement du procédé contenu dans les tubes (101 ) et (102) étant
assuré par le balayage de gaz inerte au travers des garnitures d'étanchéité
(103')
et (106).
Les tubes céramiques peuvent être disposés préférentiellement verticalement.
Dans ce cas, le tube supérieur est en buté sur le tube inférieur par
l'intermédiaire
de la garniture (105), ce qui est tout à fait acceptable avec des matériaux
céramiques comme le carbure de silicium qui présente une très bonne résistance
à la compression à froid comme à haute température.
Ce dispositif peut comporter une enceinte métallique à double paroi permettant
la
circulation d'un fluide caloporteur assurant le refroidissement de ladite
enceinte.
De même, des dispositifs comportant une pluralité de tubes dans une même
enceinte comportant elle même une entrée commune ou une pluralité d'entrée de
gaz inerte et/ou de fluide caloporteur peuvent étre réalisés dans le même
esprit
qu.e la présente invention.
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EXEMPLE COMPARATIF:
Par calculs numériques sur un logiciel de simulation de vapocraquage
CRACKSIM développé par le laboratoire de techniques pétrochimiques de
l'Université de Gent, on peut comparer l'efficacité d'un four à technologie
céramique utilisant la présente invention, avec celle d'un four
"millisecondes"
classique de type KELLOG. Ces fours utilisent des tubes métallique de 10
mètres
de longueur avec des flux de chaleur échangés de l'ordre de 85 kW/m2. Dans le
cas d'utilisation de tubes céramiques, la technologie selon l'invention permet
des
longueurs de tubes d'environ 4 mètres de longueur dans la section radiative.
Bien
que plus court, les flux susceptibles d'être échangés sont plus importants du
fait
de la plus grande stabilité des céramiques à haute température. Les éléments
communs aux deux concepts de fours dans le calcul sont les suivants:
- production d'éthylène: 100000 flan
- vapeur de dilution: 0,6 kg vapeur/kg naphta
- nature de la charge: en %poids par familles de constituants:
- Normales paraffines: 37,73
- Iso paraffines: 35,28
- Naphtènes: 21,53
- Aromatiques: 5,37
- Oléfines: 0,1
pour une densité à 15°C de 0,6924.
- température d'entrée du naphta dans la zone radiative du four:
600°C
- pression du mélange naphta/vapeur : 2 bars absolu.
- diamètre intérieur des tubes: 35 mm
Le tableau ci-dessous résume les hypothèses et les résultats pour les deux
modes de réalisation:
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Technolo ie crami Technolo ie mtalli
ue ue
Gomtrie
- longueur des tubes 4 10
(m)
- nombre de tubes 560 420
Flux moyen sur les tubes190 85
kW/m2
Tem s de s'our ms 84 154
Temprature de sortie 940 920
du gaz
C
Composition du gaz (%poids)
- mthane 13.4 14.7
- thylne 30.3 30.3
- ro lne 15.8 15.0
Svrit th fne/ ro lne 0.52 0.5
Ces calculs présentent des résultats intéressants pour le cas de tube
céramique
avec une somme des produits valorisables (éthylène + propylène) plus
importante
pour une quantité de méthane, composé peu valorisant, produite plus faible. On
peut également ajouter qu'en considérant un prix moyen du propylène compris
entre 400 et 450 $US la tonne, l'augmentation de la sélectivité en propylène
de
0,8% représente un gain de plus d'un million de $ US par an.
L'autre aspect intéressant pour la présente application est la réduction du
coke
catalytique produit sur 'les surfaces métalliques. En supposant que les tubes
céramiques soient réalisés en carbure de silicium, on peut se repporter à
l'article
"Anticoking coatings for high temperature petrochemical reactors " (P. Broutin
et
al., Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP, Vol. 54 (1999), No. 3, pp.
375-
385), dans lequel des tests de cokage produit par vapocraquage de n-hexane sur
un échantillon d'un alliage typique de tube de four à forte teneur en nickel
et
chrome, et un échantillon en carbure de silicium de type a, ont révélés une
diminution d'un rapport 4,5 de la production de coke sur le carbure de
silicium par
rapport à l'alliage métallique. Ce point est très important en terme
d'encrassement
des tubes de four et par conséquent en terme de durée de fonctionnement entre
deux périodes de décokage.
A ce propos, des essais réalisés par la société NOVA et résumés dans l'article
"Achieving Longer Furnace Runs at NOVA Chemicals" (A. Apûzzo, L. Benum,
CA 02460622 2004-03-16
ERTC Petrochemical Conference, Amsterdam, Netherlands (2002)) démontrent
l'avantage d'utiliser un matériau peu cokant pour la réalisation des tubes de
four
de vapocraquage. Le matériau ANK400 qu'ils ont développé permet d'allonger la
durée du premier cycle de fonctionnement à 400 jours au lieu des 33 jours
5 obtenus habituellement avec des tubes classiques.
Cette performance décroît sur les cycles suivants pour atteindre 150 jours
lors du
quatrième cycle. En supposant que le carbure de silicium présente des
avantages
en terme de surface non-cokante similaires au matériau ANK400, nous pouvons
envisager les mêmes types de performances sur le premier cycle. Sur le long
10 terme, comme le carbure de silicium est par nature plus stable qu'un
alliage
métallique, ses propriétés anti-cokantes devraient être maintenues après
décokage. Dans ce cas, et contrairement au matériau ANK400, les performances
acquises lors du premier cycle seraient conservées lors des cycles suivants.
Un intérêt supplémentaire lié à la réduction de la formation de coke est la
15 possibilité d'utiliser des tubes de plus faible diamètre sans être
confronté à des
problèmes de bouchage. Par exemple, avec des tubes de 20 mm de diamètre, le
logiciel de simulation CRACKSIM donne les performances suivantes, avec les
mêmes hypothèses que dans les cas précédents
Technologie cramique
diamtre tube = 20 mm
Gomtrie
- longueur des tubes (m) 4
- nombre de tubes 915
Flux mo en sur les tubes kW/m2190
Tem s de s'our ms 43
Tem rature de sortie du az 960
C
Composition du gaz (%poids)
- mthane 12.3
- thylne 30.3
- ro lne 16.3
Svrit th lne/ ro lne 0.54
On constate une augmentation très intéressante de la somme éthylène +
propylène (+1,3% de propylène par rapport au cas classique métallique) avec
une
forte réduction de la quantité de méthane produite ~ (-2,4%). Cette nette
CA 02460622 2004-03-16
16
amélioration des performances, rendue possible par l'utilisation de matériaux
céramiques peu cokant et résistant aux fortes températures, démontre le
potentiel
de cette nouvelle technologie.
