Brevet FR2541436A1 — publié le 19840824

La présente invention concerne un dispositif de chauffage électrique par effet Joule direct, de grande puissance, pour chauffer un mélange gazeux à des tempéra- tures et des pressions pouvant atteindre respectivement 900 'C et 60 bars. L'invention vise en particulier, mais non limi- tativement, un dispositif de chauffage électrique destiné à équiper les installations suivantes le reformage du naphta en présence d'un cata- lyseur à base de platine pour l'obtention des essences, la désulfuration des hydrocarbures par l'hydrogène; Dans de telles installations de chauffage, on cherche à remplacer les fours traditionnels consommant un combustible d'origine fossile, par des fours électriques présentant un rendement thermique nettement amélioré et permettant une régulation de température beaucoup plus facile et précise. On connaît plusieurs types de fours électriques. Ces fours électriques sont en général de puis- sance limitée, nettement inférieure à la puissance néces- saire (de l'ordre de 10 MW) dans les installations évoquées ci-dessus. Par ailleurs, les fours électriques connus comportent en général des résistances électriques gainées. Ces résistances électriques gainées limitent la puissance dissipée par unité de surface Ainsi, si la puissance d'un tel four était portée à une valeur de l'ordre de 10 MW, son encombrement serait prohibitif, d'autant plus que les résistances électriques, dont la section efficace est très largement augmentée par l'isolant, doivent être disposées à des distances suffisantes pour ne pas occasionner une perte de charge excessive lors du passage du flux gazeux à chauffer. De plus, ces résistances électriques sont dif- ficilement utilisables pour le chauffage à des températures élevées pouvant atteindre 900 C. On connaît par ailleurs des fours électriques comprenant des résistances électriques noyées dans un lit fluidisé de particules De tels fours ne peuvent pas non plus être utilisés dans des applications o il est néces- saire de chauffer un gaz à haut e température et sous forte pression, en raison des risques d'entraînement des parti- cules du lit fluidisé et de réaction entre celles-ci et le gaz. Par ailleurs, la réalisation d'un four élec- trique pour chauffer un gaz à hautes température et pression tel qu'un mélange d'hydrocarbures et d'hydrogène, pose de nombreux problèmes d'étanchéité, de dilatation thermique, de passage étanche pour les conducteurs d'ali- mentation électrique des résistances, de tenue thermique et de corrosion, qui n'ont pas trouvé de solution saitisfai- sante jusqu'à présent. Le but de la présente invention est de remédier aux lacunes des fours électriques connus, en créant un dispositif de chauffage électrique degrande puissance pou- vant chauffer des mélanges gazeux, tel qu'un mélange d'hydrocarbures et d'hydrogène à des températrues et des pressions pouvant atteindre respectivement 9000 C et 60 bars, ce dispositif présentant un excellent rendement thermique, un encombrement relativement réduit et occasionnant lors du passage du mélange gazeux une perte de charge très réduite. Le dispositif de chauffage visé par l'inven- tion, comprend une enceinte comportant une entrée et une sortie du mélange gazeux et qui renferme des résistances électriques nues et les conducteurs d'alimentation élec- trique de ces résistances. Suivant l'invention, ce dispositif est carac- térisé en ce qu'il comprend un conduit central qui relié l'entrée et la sortie du mélange gazeux, constitué par plusieurs modules superposés, amovibles et indépendants les uns des autres, comprenant chacun plusieurs éléments électriquement résistants constitués par des nappes de lamelles métalliques disposées les unes à côté des autres, une zone périphérique contenant les conducteurs d'alimenta- tion électrique des modules qui renferment les éléments résistants, des passages étant ménagés entre le conduit central et la zÈne périphérique permettant à une proportion réduite du flux gazeux de passer dans la zÈne périphérique. Lors du fonctionnement du dispositif de chauf- fage conforme à l'invention, le flux gazeux passe dans le conduit central constitué par plusieurs modules amovibles et superposés L'ensemble de ces modules peut se dilater librement indépendamment des connexions et de l'enveloppe externe sans occasionner de contraintes nuisibles. Le fait que les résistances électriques soient des lamelles disposées les unes à côté des autres, permet d'obtenir une grande puissance dissipée par unité de surface de résistance et par suite un encombrement relativement réduit De plus, ces résistances en lamelles qui n'offrent pratiquement aucune résistance par rapport au flux gazeux, permettent d'obtenir une perte de charge très réduite. Par ailleurs, les conducteurs d'alimentation électrique des résistances qui sont disposés dans la zône périphérique sont refroidis par une faible partie du flux gazeux qui pénètre dans l'enceinte du dispositif, de sorte qu'on résoud efficacement le problème de la tenue thermique de ces conducteurs. De plus, du fait que les modules sont amovibles, il est possible de remplacer un élément défectueux sans interférer sur les autres éléments. De plus, ce principe permet d' adapter la puis- sance nécessaire à chaque four en faisant varier le nombre de modules empilés, seule la longueur de l'enveloppe externe étant modifiée. D'autre part, ces modules alimentés séparé- ment par des sources électriques régulées permettent d'obte- nir un profil de température, entre l'entrée et la sortie du dispositif, parfaitement adapté aux conditions optimales souhaitées. Selon une version avantageuse de l'invention, l'enceifite comprend en partie inférieure une cuvette de fond comportant une tubulure d'entrée du mélange gazeux sur laquelle est montée de façon amovible une virole verti- cale calorifugée constituantl'enveloppe et portant à sa partie supérieure une tubulure de sortie du mélange gazeux. Les modules comprenant les résistances électriques s'étagent les uns au dessus des autres suivant l'axe de la virole et sontsupportés par la cuvette de fond, étant libres par rapport à la paroi latérale et la paroi supérieure de la virole La cuvette de fond comporte dans sa paroi des pas- sages pour les arrivées des conducteurs d'alimentation élec- trique des éléments résistants. Par ailleurs, lajonction étanche entre cette virole et le reste du dispositif se limite à un simple joint d'étanchéité entre celle-ci et la cuvette de fond, ce qui limite les risques de fuites occasionnées par la forte pres- sion du gaz passant à l'intérieur du dispositif. Selon une version préférée de l'invention, les modules sont constitués par des boites parallélépipédiques en t 8 le, fermées latéralement, fixées de façon amovible sur la charpente (ossature) générale interne, les unes au dessus des autres, dans le prolongement de leurs faces laté- rales, chaque boîte renfermant plusieurs nappes de lamelles en tôle résistante disposées parallèlement entre elles, les faces de ces lamelles étant parallèles à l'axe de la virole Les lamelles résistantes sont de préférence en tîle de métal déployé. La réalisation de ces modules est à la fois simple et conduit àun encombrement minimal L'utilisation de lamelles de métal déployé permet d'obtenir une valeur ohmique par unité de surface élevée, avec unebonne ré- partition de température due au fait des turbulences engendrées par le déport des lanières de métal déployé. De préférence, les conducteurs d'alimentation électrique des modules sont des tubes métalliques s'élevant parallèlement à l'axe de la virole dans la z 8 ne périphérique, ces tubes étant reliés par des tresses métalliques souples aux éléments résistants des modules. Ainsi les conducteurs électriques, tout en étant refroidis dans la zÈne périphérique peuvent se dilater librement sans répercussion de contraintes sur les plages de raccordement des résistances. D'autres particularités et avantages de l'in- vention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: la figure l est une vue en élévation avec arrachements d'un dispositif de chauffage électrique confor- me à l'invention, la figure 2 est une vue en plan à plus grande échelle avec arrachement du dessus du dispositif, la figure 3 est une vue en coupe à plus grande échelle suivant le plan III-III de la figure 1, la figure 4 est une vue en coupe à plus grande échelle suivant le plan de jonction entre cuvette et virole. la figure 5 est une vue en coupe longitudinale à plus grande échelle du détail V de la figure 1, la figure 6 est une vue en coupe longitudinale à grande échelle du détail VI de la figure 1, la figure 7 est une vue partielle d'une lame résistante du dispositif, la figure 8 est une vue suivant la flèche VIII de'la figure 6, la figure 9 est une vue en coupe transversale partielle à grande échelle du dispositif montrant le raccord- ment entre les conducteurs d'alimentation et les résistances électriques, la figure 10 est une vue analogue à la figure 9 montrant un autre mode de raccordement entre les conduc- teurs et les résistances, permettant la répartition périphé- que des conducteurs, la figure 11 est une vue en coupe à plus grande échelle suivant le plan IV-IV de la figure 1, montrant les arrivées des conducteurs électriques d'ali- mentation des résistances du dispositif conforme à l'in- vention, la figure 12 est une vue en coupe longitu- dinale partielle à grande échelle de la cuvette de fond du dispositif, montrant les arrivées des conducteurs élec- triques d'alimentation des résistances, la figure 13 est un schéma montrant le rac- cordement électrique entre les différents modules super- posés, la figure 14 est un schéma électrique montrant un mode de raccordement entre les conducteurs et les résis- tances d'un module courant, la figure 15 est un schéma électrique montrant un mode de raccordement entre les conducteurs et les résis- tances d'un module haute performance. Dans la réalisation des figures 1 à 4, on a représenté un dispositif de chauffage électrique par effet Joule direct, de grande puissance pour chauffer un mélange gazeux à des températures et des pressions pouvant atteindre respectivement 900 C et 60 bars. Ce dispositif comprend une enveloppe verticale 1 de forme générale cylindrique comportant un revêtement calorifuge 2 qui n'est représenté que partiellement dans le cas interne ou externe sur la fig 1 Cette enveloppe 1 comprend à sa partie inférieure une cuve avec une tubulure 3 d'entrée et à sa partie supérieure une virole avec une tubulure 4 de sortie du mélange gazeux à chauffer. Cette enceinte 1 comprend un conduit central représenté en pointillés sur la figure 1 qui relie l'en- trée 3 et la sortie 4 du mélange gazeux et qui renferme plusieurs modules identiques 6 a,6 b,6 c,6 d, 6 k,61) super- posés et amovibles. Ces modules 6 a 61 comportent chacun plu - sieurs nappes d'éléments-résistants, couplés en série et en parallèle. On voit sur les figures 2 et 3 et plus nettement sur les figures 6,7,9 et 10 que ces éléments résistants sont constitués par des lamelles métalliques 7 disposées les unes à côté des autres Ces lamelles résistantes 7 sont en tôle nue de métal déployé (voir figure 7) et sont disposées parallèlement à l'axe vertical du dispositif. Ces lamelles présentent une épaisseur de quelques dixièmes de millimètre et sont espacées les unes des autres par exemple par des bagues réfractaires isolantes (par exemple en alumine) L'espacement-entre les lamelles résistantes 7 est déterminé pour obtenir un échange thermique optimal entre ces lamelles et le gaz à chauffer et pour réaliser un encombrement minimal, tout en étant cependant suffisant pour que les pertes de charge soient négligeables En prati- que, les lamelles résistantes 7 sont espacées de un à deux centimères pour isolation électrique entre lames à des poten. tiels différents. Le conduit central 5, constitué par les modules superposés 6 a, 61,est entouré par une zone périphérique 8 (voir figures 1,2,3,6 et 8 à 10) contenant les conduc- teurs 9 d'alimentation électrique des modules 6 a, 6),qui renferment les lamelles résistantes 7. Par ailleurs, comme on le voit sur la figure 6, des passages 9 a sont ménagés entre le conduit central et la zÈne périphérique 8 pour permettre à une proportion réduite du flux gazeux de passer dans la zône périphérique 8 pour refroidir les tubes et équilibrer les pressions entre conduit et zone périphérique. Comme indiqué sur les figures 1,4,11 et 12, l'enceinte 1 comprend une cuvette de fond 10 comportant la tubulure 3 d'entrée du mélange gazeux Sur cette cuvet- te de fond 10 est montée de façon amovible et étanche une virole verticale 11 qui porte à sa partie supérieure la tubulure 4 de sortie du mélange gazeux à chauffer. Les modules superposés 6 a, 61 contenus dans la virole 11 sont placés les uns sur les autres suivant l'axe vertical de cette virole Ils communiquent avec la tubulure d'entrée 3 par un manchon 12 de raccordement évasé vers le haut (voir figure 1) Par ailleurs, ces modules 6 a, 61 sont libres par rapport à-la paroi latérale et la partie supérieure de la virole 11. Comme on le voit sur les figures 2,3,6,9 et 10, les modules 6 a, 61 sont constitués par des boites parallélépipédiques en tÈle fermées latéralement et fixées de façon amovible les unes au dessus des autres dans le prolongement de leurs faces latérales. L'ensemble des modules 6 a 61 repose sur une plaque inférieure 13 (voir figure 5) qui est elle-même supportée par un épaulement interne 13 a de la cuvette de fond ( 10). Chaque module 6 a, 61 (voir figure 1,6, 9 et ) est supporté par une plaque périphérique qui s'étend sur la presque totalité de la largeur de la zone périphéri- que, plaque elle meme fixée sur l'ossature générale interne ( 16) Le faible jeu e ménagé entre le bord extérieur de ces plaques 14 et la paroi de la virole Il est calculé de façon que ces plaques 14 puissent se dilater sous l'effet de la chaleur dégagée par les résistances électriques conte- nues dans les modules 6 a, 61 sans que ces plaques ne tou- chent la paroi de la virole 11. Ces plaques 14 comportent des ouvertures dans lesquelles sont engagées des bagues 15 en matière isolante entourant les conducteurs électriques 9 d'alimentation des modules 6 a, 61 (voir figure 6 et 8 à 10). L'ensemble de ces modules 6 a, 61 est fixé latéralement à des profilés verticaux 16 (de section en H par-exemple) qui s'étendent dans la zÈne périphérique 8 (voir figures 2, 3, 9 et 10) et assurent le supportage des équipements internes. Les conducteurs électriques 9 d'alimentation des modules 6 a, 61 sont des tubes métalliques qui s'éten- dent (voir figures 6, 8 à 10) parallèlement à l'axe de la virole 11 dans la z 8 ne périphérique 8 Ces tubes métalliques 9 sont reliés par des tresses métalliques souples 16 a aux lamelles électriquement résistantes 7 contenues dans les modules 6 a, 61. Dans la réalisation représentée (voir figure 6), chaque module 6 a, 61 comporte deux jeux superposés de nappes de lamelles résistantes 7 Sur cette figure 6,, on voit également que chaque module communique avec la zone périphérique 8 adjacente par une fente 9 a de quelques milli- métres de largeur ménagée entre le bord supérieur 17 de la paroi latérale d'un module et la plaque inférieure 14 supportant le module supérieur. Sur les -figures 11 et 12, on voit que la cuvette de fond inférieure 10 comporte dans sa paroi latérale 18 despassages radiaux 19 agencés pour les arrivées des tubes conducteurs 9 d'alimentation électrique des modules 6 a, 61. Ces passages 19 sont fermés par des opercules métalliques 20 traversés par des bagues isolantes 21 qui entourent les tubes métalliques 9 Ceux-ci traversent hori- zontalement les passages 19 puis s'entendent verticalement dans le compartiment inférieur 10 et traversent la plaque support 13 des modules. Dans l'exemple de la figure 11, on voit que la cuvette de fond 10 comporte cinq passages 19 qui sont traversés chacun par trois conducteurs 9 et un sixième passage qui est laissé en réserve; le nombre de pénétrations équipées étant fonction de la puissance et du nombre de modules. Les figures 13 à 15 montrent le principe de l'alimentation électrique des modules résistants du disposi- tif conforme à l'invention. Sur la figure 13 on a représenté schématique- ment les différents modules superposés suivant quatre niveaux A,B,C,D, chaque niveau comprenant trois modules Les niveaux supérieurs B,C,D sont alimentés chacun par trois conduc- teurs 9 de la façon représentée schématiquement sur la figure 14 Sur cette figure chaque élément monophasé tel que a, b, représente un module par exemple 6 e qui est alimenté en monophasé Un niveau tel que B-C ou D est formé de trois modules monophasés et correspond à une puissance comprise entre 2 et 3 MW. Chaque élément monophasé tel que a,b est composé de deux nappes de deux fois vingt sept lamelles résistantes 7. Le niveau inférieur A est alimenté par une paire de trois conducteurs 9, comme on le voit plus nettement sur la figure 15 Selon ce mode d'alimentation, la puissance atteint 4 à 5 KW. Le dispositif de chauffage électrique que l'on vient de décrire présente de nombreux avantages par rapport aux solutions antérieures. D'une part, le dispositif est facilement démonta- ble lorsqu'on veut par exemple le réparer A cet effet, il suffit d'enlever la virole 11 qui coiffe l'ensemble des modules Cette opération est particulièrement simple étant donné que cette virole 11 est totalement libre par rapport aux modules et leurs conducteurs d'alimentation électrique. Par ailleurs, les conducteurs d'alimentation électrique 9 des modules sont refroidis efficacement par une faible partie du flux gazeux qui passe dans la zone périphérique 8, ce qui garantit leur bonne tenue dans le temps. De plus, les délicats problèmes posés par la dilatation thermique des éléments chauffants ont été surmon- tés d'une manière simple et efficace du fait que l'ensemble des modules peut se dilater librement vers la partie supé- rieure de la virole 11. De plus,grâce à la minceur des lamelles résis- tantes 7 on obtient malgré la grande puissance dissipée par une unité de volume du dispositif, une perte de charge très réduite, ce qui permet de réduire considérablement la puissance des compresseurs et des pompes utilisés pour comprimer et véhiculer le gaz à chauffer à travers le dis- positif de chauffage. Du fait que les niveaux sont alimentés séparément, la puissance de chauffage délivrée par chaque élément peut etre réglée indépendemment des autres niveaux. Ainsi il est possible d'obtenir entre l'entrée et la sortie du dispositif un profil de température optimal à l'égard des conditions de chauffage souhaitées dans le cas d'une application déterminée. En outre, le dispositif conforme à l'invention est parfaitement adapté au chauffage d'un gaz-sous des pressions atteignant ou dépassant 60 bars, notamment du fait que la virole 11 est raccordée à la partie inférieure du dispositif par un seul joint d'étanchéité et ne com- porte aucun raccord pour le passage des conducteurs élec- triques ou autres organes, ce qui limite considérablement les risques de fuite de gaz. Bien entendu l'invention n'est pas limitée à l'exemple que l'on vient de décrire et on peut apporter à celui-ci de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi les modules 6 a, 61 au lieu d'être parallélépipédiques pourraient être cylindriques ou pré- senter toute autre forme tubulaire. Par ailleurs, les lamelles résistantes 7 au lieu d'être en métal déployé pourraient être réalisées d'une autre façon l'essentiel étant que ces lamelles présentent des découpes qui permettent d'augmenter leur résistance par unité de surface, sans affecter le libre passage du gaz à chauffer entre ces lamelles. Bien entendu, cet exemple prévu avec unealimenta- tion en courant alternatif triphasé n'est pas limitatif etle dispositif de la présente invention peut être alimenté par toutes natures de courants électriques en particulier en courant continu. Le four électrique décrit dans la présente demande peut être utilisé avantageusement dans le procédé décrit dans la demande de brevet français déposée le même jour, aux noms des demanderesses et qui est intitulée "Installation pour la transformation chimique d'un mélange gazeux contenant de l'hydrogène et des hydrocarbures". -REVENDICATIONS 1 Dispositif de chauffage électrique par effet Joule direct, de grande puissance,pour chauffer un mélange gazeux à des températures et des pressions pouvant atteindre respectivement 900 'C et 60 bars, comprenant une enceinte ( 1) comportant une entrée ( 3) et une sortie ( 4) du mélange gazeux et qui renferme des résistances électriques nues ( 7) et des conducteurs ( 9) d'alimentation électrique de ces résistances, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit central ( 5) qui relie l'entrée ( 3) et la sortie ( 4) du mélange gazeux et constitué par plusieurs modules ( 6 a 61) superposés et amovibles les uns des autres, comprenant chacun plusieurs éléments électriquement résistants ( 7) constitués par des lamelles métalliques disposées les unes à côté des autres, une zone périphérique ( 8) contenant les conducteurs ( 9) d'alimentation électrique des éléments résistants ( 7), et des passages ( 9 a) ménagés entre le conduit central ( 5) et la zÈne périphérique ( 8) pour permettre à une proportion réduite du flux gazeux passant dans le conduit central de passer dans la zone périphérique. 2 Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte ( 1) comprend une cuvette de fond ( 10) comportant une tubulure d'entrée ( 3) du mélange gazeux, sur lequel est montée de façon amovible une virole verticale ( 11) calorifugée portant à sa partie supérieure une tubulure ( 4) de sortie du mélange gazeux, en ce que les modules ( 6 a 61) comprenant les éléments résistants ( 7), s'étendent les uns au dessus des autres suivant l'axe de la virole, sont su Dportés par l'ossature générale 16 reposant sur la cuvette de fond ( 10) et sont libres par rapport à la paroi latérale et la partie supérieure de la virole ( 11) et en ce que la cuvette de fond ( 10) comporte dans sa paroi des passages ( 19) pour les arrivées des condw- teurs ( 9) d'alimentation électrique des modules ( 6 a, 61) renfermant les éléments résistants ( 7). 25414 '36 3.Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les modules ( 6 a, 61) sont constitués par des boites parallélépipé- diques en tôle fermées latéralement fixées de façon amovible les unes au dessus des autres dans le prolongement de leurs faces latérales. 4 Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que chaque boite ( 6 a, 61) renferme plusieurs nappes de lamelles ( 7) en tÈle résistante dis- posées parallèlement entre elles, les faces de ces lamelles étant parallèles à l'axe de la virole ( 11). Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que les lamelles ( 7) sont en tôle de métal déployé. 6 Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'ensemble des modules ( 6 a 61) repose sur des plaques ( 13) fixées à une ossature générale ( 16) qui est elle-même supportée par la cuvette de fond ( 10). 7 Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que chaque plaque ( 14) support de module ( 6 a 61) s'étend sur la presque totalité de la largeur de la virole ( 11), ces plaques com- portant des ouvertures munies de bagues isolantes ( 15) pour le passage des conducteurs ( 9) d'alimentation électrique des modules. 8 Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les conduc- teurs ( 9) d'alimentation électrique des modules ( 6 a 61) sont des tubes métalliques s'étendant parallèlement à l'axe de la virole ( 11) dans la dite z 8 ne périphérique ( 8), ces tubes étant reliés par destresses métalliques souples ( 16 a) aux éléments résistants ( 7) des modules. 25414 * 36 9 Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 7 à 8, caractérisé en ce que chaque module ( 6 a 61) communique avec une zone périphérique adjacente ( 8) par un passage ( 9 a) ménagé entre la partie supérieure ( 17) d'un module et la plaque inférieure ( 14) support du module supérieur et en ce que les z 8 nes périphériques ( 8) communiquent entre elles par des passages ménagés entre le bord extérieur des plaques ( 14) et la paroi de lavirole ( 11).