Brevet FR2031571A1 — publié le 19701120

I1 est connu de préparer des oléfines, de-préférence l'éthylène, par dissociation thermique d'hydrocarbures dans un four à tubes. On utilise alors les matériaux de départ sous la forme de mélanges d'hydrocarbures comprenant toute la gamme des produits de distillation gazeux et liquides du pétrole, de préférence le naphte et le gazoil dans la gamme des points d'ébullition comprise entre 40-et 400 C. Par une addition de vapeur d'eau, on obtient en partant de ces produits de distillation un gaz de dissociation riche en oléfines, duquel on sépare ces dernières dans des installations consécutives. Les fours de dissociation à tubes connus jusqu'ici comprennent une zone de transmission de la chaleur par convection et une zone de transmission par rayonnement. Dans la zone de transmission par convection, le mélange des vapeurs d'hydrocarbures et de la vapeur d'eau est généralement porté à la température initiale de réaction dans des tubes horizontaux. Dans la zone de transmission par rayonnement, chauffée par des bruleurs à gaz et/ou à huile, le mélange de réaction reçoit sa chaleur de réaction par le rayonnement thermique des gaz de combustion plus une partie complémentaire de la chaleur sensible, de sorte que la réaction de dissociation est mise en oeuvre dans la zone de transmission par rayonnement. La zone de transmission par rayonnement des fours à tubes connus jusqu'ici est garnie de tubes d'une longueur totale de 70 à 120 m, disposés verticalement ou horizontalement en plusieurs branches raccordées en série. En général, ces tubes sont coulés par centrifugation en acier inoxydable et présentent un diamètre intérieur de 90 à 120 mm. Les températures maximales de réaction atteignent 840 à 890 G. Dans ces fours de dissociation à tubes, il est usuel de connecter en parallèle 2 à 8 de ces branches tubulaires, pour chacune desquelles on prévoit un régulateur de débit pour l'alimentation en hydrocarbures et en vapeur d'eau. I1 est alors nécessaire de prévoir deux régulateurs pour chacune des branches, afin qu'il soit possible de maintenir pour toutes les branches parallèles le même débit et le mSme rapport entre les vapeurs dthydrocarbures et la vapeur d'eau. La dissociation thermique d'hydrocarbures en gaz de dissociation riches en oléfines dégage toujours une certaine quantité de carbone, qui se dépose sous la forme de coke sur la paroi-intérieure des tubes de réaction et modifie ainsi différemment, pendant le fonctionnement, la chute de pression dans les différentes bran ches tubulaires connectées en parallèle. On sait que la formation de l'tthylène désire est fa':i èe par une courte durée de séjour du mélanLe de réaction à la température de réaction, et-par une faible pression de réaction. Dans les fours de dissociation à tubes connus, la durée de séjour est comprise entre 0,5 et 1,0 sec., tandis que la pression de réaction moyenne, résultant de la chute de pression dans chaque branche tubulaire d'une longueur de 70 à 120 m, atteint 2, 5 à 3 bars. Un raccourcissement des tubes de réaction permet de réduire la durée de séjour. Cependant, il est alors nécessaire d'élever la température de réaction selon les lois de la cinétique de réaction. Pour éviter une élévation de la densité du courant de chaleur, dont de la température de la matière à traiter dans les tubes de réaction, au-delà de la valeur limite supérieure atteinte jusqu'ici grâce aux dimensions usuelles on doit alors réduire le diamètre des tubes ou le débit. Dans les deux cas, ceci impose une augmentation du nombre des branches tubulaires connectées en parallèle et nécessaires à l'obtention d'une quantité déterminée de gaz de dissociation.Pour la limite inférieure, imposée aux fours de dissociation à tubes du type précédemment décrit, réalisable industriellement et économiquement, à laquelle la durée de séjour ni la pression de réaction ne subissent une réduction importante, on peut admettre des tubes d'une longueur d'environ 50 m et d'un diamètre intérieur de 75 mm. On connalt également des fours de dissociation à tubes dans lesquels de nombreuses branches tubulaires courtes, ne présentant qu'une longueur de 10 à 15 m, sont connectées en parallèle de façon qu'elles communiquent entre elles à l'entrée et à la sortie res pectivement par l'intermédiaire d'un distributeur et d'un collecteur communs. Dans ce cas, et indépendamment du mode de fonctionnement du four, il suffit alors de prévoir un régulateur de débit respectivement pour les hydrocarbures et la vapeur d'eau. Dans ce deuxième mode de réalisation connu des fours de dissociation à tubes, il n'est cependant pas possible de contrôler la distribution du mélange à dissocier sur les différents tubes parallèles. On sait par expérience que la distribution du débit sur un certain nombre de tubes (partant d'un distributeur commun) est très peu uniforme et se modifie constamment sous l'action du dépôt précité de coke dans les tubes. I1 en résulte avec certitude une destruction de certains tubes à cause d'un refroidissement insuffisant. Pour éviter les inconvénients des modes de réalisation connus de fours de dissociation à tubes, c'est-à-dire d'une part la longue durée de séjour et de-hautes pressions de réaction, y compris les dispositifs de réglage coûte, d'autre part l'ineerti- tude de la distribution du mélange de réaction sur plusieurs tubes connectés en parallèle, la présente invention propose un four de dissociation à tubes comprenant de nombreuses branches tubulaires courtes et connectées en parallèle, dans lequel l'établissement de conditions de circulation particulières permet d'obtenir avec certitude une distribution uniforme du débit sur tous les tubes connectés en parallèle. Lorsqu'on intercale dans une tuyauterie une tuyère destinée au passage d'un fluide gazeux et proportionnée de façon que le fluide atteigne la vitesse du son dans la section de passage la plus étroite, tandis que la pression régnant en aval de la tuyère est inférieure à celle qui apparalt dans cette section de passage la plus étroite, on obtient des conditions répondant à la formule suivante pe ~ = ( 2 ) t - 1 P1 R 1 1 dans laquelle Pe désigne la pression se présentant dans la section de passage la plus étroite de la tuyère, pl la pression en amont de la tuyère, et &alpha; l'exposant de l'adiabate c /c Le terme -p -v est donc simplement fonction des propriétés du gaz.Considéré au point de vue thermodtynamique, le rapport minimal des pressions nécessaire à cet état est désigné par "rapport critique des pressions". En conséquence, le débit passant par la tuyère dépend exclusivement de la section de passage de celle-ci et de la pression P1 régnant en amont. Les variations de la pression 22 régnant en aval de la tuyère n' exercent aucune action sur le débit, tant que P2 est maintenu égal ou inférieur à e L'objet de ltinvention est un four de dissociation à tubes pour la préparation dtun gaz de dissociation riche en oléfines, comprenant un certain nombre de branches tubulaires connectées en parallèle dans la zone de transmission par rayonnement, et communiquant entre elles à l'entrée et à la sortie respectivement par un conduit distributeur et un conduit collecteur.Le four à tubes selon l'invention est caractérisé par le fait que l'orifice d'entrée de chacun des tubes connectés en parallèle contient une tuyère propor tionnée pour l'établissement d'un rapport de pression plus que crit que ou tout au mcfns critique, et maintenant un débit éài dans t;?'v. les branches tubulaires. Il en résulte que le four de dlssociation peut être équipé de tubes d'une lonbueur de 5 à 20 fn et d'un diamètre intérieur de 4 à 100 mm. Etant donné la courte durée de la période disponible pour la réaction dans un four ainsi conçu, le chauffage du mélange jusqu'à la température préalable la plus favorable est particulière ment important. Pour cette raison, on prévoit des brûleurs auxiliaires disposés dans le carneau de passage des gaz de combustion entre la zone de transmission par rayonnement et la zone de transmission par convection. Ces brûleurs portent les matériaux à dissocier à la température d'entrée désirée dans la zone de réaction, quelles que soient les conditions de fonctionnement variables et les qualités également variables des matériaux à dissocier. Un mode de mise en oeuvre de l'invention sera décrit ci-après en détail et à titre d'exemple, en regard du dessin schématique annexé, sur lequel La figure 1 est une vue en coupe verticale d'un mode de réalisation possible du four de dissociation à tubes conçu selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale faite suivant la ligne I-I de la figure. 1. La figure 3 st une vue partielle en coupe à plus grande échelle représentant une possibilité de montage et un mode de réalisation des tuyères. Le four à tubes comprend de la manière usuelle une zone de transmission par convection 1 et une zone de transmission par rayonnement ?. La zone de transmission par convection 1 contient un faisceau de tubes 3, dans lesquels les hydrocarbures à dissocier par voie thermique sont distribués par un conduit d'arrivée 4 dans lequel est intercalé un obturateur régulateur 5, tandis que la vapeur d'eau arrive par un conduit 6 dans lequel est intercalé un obturateur régulateur 7. Le mélange des vapeurs d'hydrocarbures et de la vapeur d'eau, porté sensiblement à la température initiale de réaction, passe du faisceau de tubes 3 dans un conduit collecteur 8 communiquant avec un collecteur 9 duquel partent les branches de circulation de la zone de transmission par rayonnement. Ces branches de circulation se présentent sous la forme de tubes parallèles 10 débouchant à la sortie dans un collecteur supplémentaire 11, duquel est évacué le produit de dissociation. Les tubes 10 sont chaulorés par ds brûleurs 12 montés dans les parois latérales et dans le fond de la zone de transmission par rayonnement. Les gaz de combustion très chauds de la zone de transmission par rayonnement passent par le carneau 13 dans la zone de transmission par convection, et quittent celle-ci par la cheminée 14 après avoir cédé leur chaleur au faisceau de tubes 3. Selon l'invention, l'orifice d'entrée de chaque tube 10 contient une tuyère 15 qui peut être fixée par des brides et des boulons (figure 3) ou encastrée par soudure. La consommation de chaleur est relativement faible dans une zone de dissociation équipée de tubes courts, de sorte qu'il se peut que la chaleur sensible des gaz de combustion ne suffise par au chauffage préalable du mélange d'hydrocarbures et de vapeur d'eau dans le faisceau de tubes 3 de la zone de transmission par convection 1. Pour cette raison, l'invention prévoit une rangée de brûleurs 16 dans le carneau entre la zone de transmission par rayonnement et la zone de transmission par convection pour le chauffage complémentaire de cette dernière, afin que cette zone de transmission par convection soit rendue indépendante de l'excès de chaleur résiduelle de la zone de transmission par rayonnement. R-;5r,, C.o TS 10 Four de dissociation à tes, comprenant une zone.de transmission de la chaleur par convection et une zone de transmission par rayonnement pour la dissociation thermique d'hydrocarbures, et équipé d'un certain nombre de tubes de réaction branchés en parallèle dans la zone de transmission par rayonnement et communiquant entre eux à l'entrée et à la sortie, respectivement par un ou plusieurs conduits distributeurs et un ou plusieurs conduits collecteurs, caractérisé par le fait que l'orifice d'entrée de chacun des tubes de réaction branchés en parallèle contient une tuyère proportionnée pour l'établissement d'un rapport de pression plus que critique ou tout au moins critique. 20 Four de dissociation à tubes selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes de réaction de la zone de transmission par convection présentent une longueur de 5 à 20 mètres et un diamètre intérieur de 40 à 100 mm. 30 Four de dissociation à tubes selon les revendications 1 et 2, caractérisé par des brûleurs auxiliaires .disposés dans le carneau de passage des gaz de combustion antre la zone de transmission par rayonnement et la zone de transmission-par convection.