Brevet FR2369207A1 — publié le 19780526

La présente invention concerne un four de craquage chauffé au gaz, pour le craquage catalytique à haute tempéra ture de gaz tels que des mélanges de méthane et de vapeur a eau. Ce four de craquage convient tarticulièrement pour les ç zendes installations de craquage chauffées par voie nucléaire à l'hélium , c'est-à-dire chauffées per de l'hélium lui-même chauffé dans une installation nucléaire. Dans ces installations de craquage, l'hélium doit circuler en étant parfaitement séparé du gaz à craquer, et le matériau catalyseur doit, lorsqu'il est usé, pouvoir être remplacé sans difficulté, rapidement et fiablement sans qu'il soit nécessaire d'ouvrir le circuit de chauffage.Dnng de telles installations il est particulièrement important que l'encombrement soit réduit. Dans les demandes de brevet ÂI0 ≈ 24l2840.3 et 24 12 841A sont décrits des tubes de craquage pour le craquage catalytique d'hydrocarbures. Ces tubes de craquage qui sont suspendus et sont fermés à leur extrémité inférieure portent intérieurement un tube en hélice allant Jusqu' a' leur point le plus bas et servant de conduit de sortie pour le gaz craqué. Ils sont remplis de matériau catalyseur en vrac contenant par exemple du nickel. La perte de charge due à ce matériau catalyseur en vrac n'est pas calculable à l'avance avec précision et varie au cours du temps de sorte que, si de nombreux tubes de craquage sont branchés en parallèle, il peut en résulter des différences de débit de gaz et par conséquent des différences de température. En cas de diminution de température, le matériau catalyseur se contracte , tandis que en cas d'accroissement de température il se dilate et sollicite ainsi mécaniquement le tube de craquage qui l'entoure et le tube intérieur qu'il entoure. Lorsque ce matériau catalyseur est épuisé ou détruit, il doit Stre enlevé des tubes de craquage par exemple pneumatiquement , ce qui constitue un travail pénible et fastidieux.Comme les installations d'énergie nucléaire refroidies à l'hélium, telles qu'envisagées doivent fonctionner de préférence sous une haute pression de par exemple 40 atmosphères, les tubes de craquage doivent présenter de fortes épaisseurs gênant le transfert de chaleur au matériau catalyseur. La nécessité d'assureur la fiabilité et l'étanchéité de la fixation des tubes de craquage sur un fond porteur oblige à respecter un certain espacement minimal entre lesdits tubes. C'est pourquoi, par rapport à la quantité de catalyseur présent, ces tubes mobilisent un espace notable.Le fond porteur représente lui-aussi, dans le cas des fortes températures et d'un grand dia-. mètre, un composant métallique onéreux qui, pour des questions de résistance mécanique, doit titre refroidi et constitue de ce fait une source de pertes thermiques importantes. La présente invention a pour but de réaliser un four pour le craquage catalytique de gaz à haute température qui soit peu encombrant et ntexigb que peu de matière, cela tout en permettant de remplacer rapidement et simplement le matériau catalyseur. Selon l'invention , ce but est atteint par le fait que du matériau catalyseur et des tubes de chauffage chauffés par l'inde térieur sont disposés en agencement alterné dans un canal d'écoulement du gaz à craquer. Par rapport aux tubes de craquage connus à paroi épaisse remplis de matériau catalyseur, cet agencement présente l'avantage que les tubes de chauffage chauffés par l'intérieur, lesquels font office de paroi séparatrice entre fluide de chauffage et gaz à craquer, peuvent avoir un diamètre sensiblement rédnit et peuvent donc etre moins épais. Cette disposition suffit déjà à elle seule pour réduire notablement la quantité de matière né cessaire et l'encombrement et pour améliorer le transfert de cha- leur, ainsi que pour simplifier notablement une grande partie -des problèmes de résistance mécanique.L'agencement alterné, et donc mécaniquement séparé, des tubes de chauffage et du matériau ca talyseur permet une réalisation optimale de ces tubes et de ce matériau quant au transfert de chialeur et à la perte de charge. De plus, cet agencement alterné, avec séparation mécanique, du tubes de chauffage et de matériau catalyseur conduit à une sim plification notable du remplacement du matériau catalyseur du fait qu'il n'est en particulier pas nécessaire d'ouvrir ou mEme de démonter les tubes de chauffage L'invention propose en outre que les tubes de chauffage et le matériau catalyseur soient agencés respectivement dans des plans parallèles, ce qui présente des avantages particuliers quant à la réduction de l'eneombrement.L'agencement du matériau catalyseur dans des plans verticaux offre des avantages particn- liers pour le remplacement au moyen d'un simple système de levage. L'invention propose de plus que le matériau catalyseur présente de nombreux petits canaux dans la direction d'écoulement du gaz à craquer, ce qui conduit à une très grande surface de contact entre gaz à craquer et catalyseur, et assure l'uniformité du flux de gaz à craquer sur l'ensemble du catalyseur et les tubes de chauffage faisant suite au catalyseur. Dans une forme de réalisation perfectionnée de l'invention le matériau catalyseur est constitué de nombreuses plaques de catalyseur dont chaque fois plusieurs sont agencées dans un plan, avec un faible espacement entre elles, ce qui permet d'obtenir de grandes surfaces planes de catalyseur qui remplissent l'ensemble du canal de gaz à craquer, et permet d'utiliser le ma- tériau catalyseur sous forme d'éléments de dimensions réduites, ce qui est avantageux du point de vue de la fabrication. Si le canal de gaz à craquer est approximativement rectiligne, et si le trajet d'écoulement du gaz de-chauffage est à contre-courant de l'écoulement de gaz a' craquer et croise celuici, et si l'entrée et la sortie du gaz de chauffage sont situées d'un même côté du canal de gaz à craquer, les températures de sortie de ce gaz sont alors à peu près égales sur les deux cotés du canal de gaz à craquer. Dans une autre forme de réalisation dans laquelle les tubes de chauffage sont fixés dans des fonds tubulaires, ces fonds présentent des joints de dilatation entre les plans de tubes de chauffage dont les températures de fonctionnement diffèrent, ce qui évite les contraintes thermiques entre composants se trou vant à des températures différentes et constitue une condition préalable essentielle pour l'étanchéité et la solidité des tubes de chauffage. L'étanchéité de ces joints de dilatation est assurée de façon connue au moyen de tôles élastiques et/ou de joints à glissement. Un exemple de réalisation non limitatif est décrit ciaprès en se référant aux figures 1 à 5 du dessin annexé qui représente un four de craquage conçu pour craquer un mélange de méthane et de vapeur d'eau à des températures d'environ 8000C, ponr obtenir de l'hydrogène et de l'oxyde de carbone.Dans le dessin : la figure 1 représente une coupe horizontale faite selon le plan D-E de la figure 2, d'un tel four de craquage ; la figure 2 représente à la même échelle une coupe verticale faite selon les plans A-B et B-C de la figure 1 la figure 3 représente à plus grande échelle une coupe verticale suivant F-G de la figure 4 de deux cadres représentés sur la figure 4, pourvus de plaques de catalyseur entre lesquelles sont agencés des paquets ou faisceaux de tubes de chauffage la figure 4 représente une vue latérale en élévation de l'un de ces cadres qui portent le matériau catalyseur, et la figure 5 représente à plus grande échelle que sur les figures 3 et 4 une coupe horizontale de deux cadres garnis de matériau catalyseur de part et d'autre de deux paquets ou faisceaux de tubes de chauffage. Sur les figures i et 2, l'enceinte extérieure 1 du four de craquage comporte un canal 2 d'entrée du gaz de chauffage, un canal 3 de sortie du gaz de chauffage, un canal 4 d'entrée du gaz à craquer, un canal 5 de sortie du gaz craqué, ainsi que deux fonds tubulaires 6 et 7 reliés par de nombreux tubes de chauffage 8 agencés parallèlement dans des plans et entre lesquels est disposé le matériau catalyseur 9 présentant de nombreux petits canaux 10 agencés dans la direction de l'écoulement du gaz à craquer qui s'écoule sensiblement en ligne droite et dans un plan horizontal à travers l'enceinte 1, tandis quelle gaz de chauffage s'écoule d'abord lui-aussi dans un plan horizontal, à contre courant du gaz à craquer et en croisant ce dernier, en passant par les tubes de chauffage, puis est dévié vers le haut en 3.Pour simplifier cette représentation très schématique, un seul plan de tubes de chauffage 8 est représenté. En fait, si le transfert de chaleur l'exige, plusieurs plans de tubes de chauffage 8 décalés, lisses ou munis d'ailettes, peuvent être agencés entre deux plans de matériau catalyseur 9.Sur la figure 2, on a représenté sché- matiquement un couvercle li qui est agencé au-dessus du catalyseur 9 et des tubes de chauffage 8 et qui peut être enlevé vers le haut pour le remplacement du catalyseur 9 Sur les figures 3 et 4 , des plaques carrées de catalyseur 30 sont empilées en plusieurs rangées verticales parallèles et maintenues en place par des profilés intermédiaires 31 à profil en E , ainsi que par un cadre extérieur 32 auquel deux anses de levage 33 en U peuvent être fixées pour soulever l'ensemble du cadre 32 Sur la figure 5 , les plaques de catalyseur carrées 30 sont, comme sur la figure 3, maintenues réunies par des profilés 31 à profil en H, lesquels sont encadrés extérieurement par des profilés 50 à profil en H, plus gros, fixés aux fonds tubulaires 6, 7 représentés sur la figure 1. Entre les deux cadres représentés qui sont remplis de plaques de catalyseur 30, il y a dans ce cas deux plans de tubes de chauffage 8, un tube étant représenté coupé et un autre, situé plus en arrière que le précédent par rapport auquel il est décalé, étant vu non coupé. REVENDICAIONS 1. Four de craquage chauffé au gaz, pour le craquage catalytique de gaz à haute température, caractérisé par le fait que du matériau catalyseur~et des tubes de chauffage qui sont chauffés par l'intérieur sont disposés en agencement alterné dans un canal d'écoulement du gaz à craquer 2. Bour selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que les tubes de chauffage et le matériau catalyseur sont agencés respectivement dans des plans parallèles. 3. Four selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que le matériau catalyseur présente de nombreux petits canaux dans la direction d'écoulement du gaz à craquer. 4. Four selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le matériau catalyseur consiste en de nombreuses plaques de catalyseur dont chaque fois plusieurs sont agencées dans un plan, avec un faible espacement entre elles. 5. Four selon la revendication 1 , dans lequel le canal de gaz à craquer est sensiblement rectiligne, caractérisé par le fait que le gaz de chauffage s'écoule à contre-courant de ltécou- lement de ga à craquer et croise celui-Li et par le fait que l'entrée et la sortie du gaz de chauffage sont situées d'un même côté du canal de gaz à craquer. 6. Four selon la revendication 5 dans lequel les tubes de chauffage sont fixés dans des fonds tubulaires , caractérisé par le fait que les fonds tubulaires présentent des joints de dilatation entre les plans de tubes de chauffage dont les températures de fonctionnement diffèrent.