Brevet FR2541133A1 — publié le 19840824

La présente invention concerne une instal- lation pour la transformation chimique d'un mélange gazeux contenant notamment des hydrocarbures et de l'hydrogène. Cette installation comprend des réacteurs dans lesquels le mélange précité réagit selon des réactions globalement endothermiques à des tempé- ratures comprises entre 350 et 9000 C environs sous haute pression et en présence d'un catalyseur. Cette installation comprend d'autre part un four disposé en amont de chaque réacteur pour réchauf- fer le mélange gazeux avant son introduction dans le réacteur. L'invention s'applique principalement aux installations suivantes le reformage du naphta en présence d'un cataly- seur à base de platine pour l'obtention des essences, la désulfuration des hydrocarbures à l'hydrogène,- Dans les installations connues, les fours de réchauffage du mélange gazeux d'hydrocarbures et d'hydrogène, sont des fours classiques alimen- tés en combustible liquide ou gazeux d'origine fossile Ces fours comprennent des faisceaux de tubes de section réduite chauffés par combustion du combustible d'origine fossile, dans lesquels on fait passer le mélange gazeux précité. Ces fours de réchauffage présentent de nombreux inconvénients. En premier lieu, le passage du mélange gazeux à réchauffer dans les faisceaux de tubes entraîne des pertes de charge très importantes, ce qui nécessite It utilisation de compresseurs de très forte puissance consommant de ce fait beaucoup d'énergie. D'autre part, la régulation de la température dans de tels fours est délicate et implique une attention toute particulière de la part des opérateurs des installations. Dans le cas d'une installation de refor- mage catalytique on doit veiller en particulier que la température de peau des tubes de ces fours ne dépasse pas 650 C pour éviter tout risque de rupture de ces tubes, ce qui aurait des consé- quences catastrophiques. Par ailleurs, compte tenu de la forme de la flamme, on observe des variations importantes de tem- pérature de peau le long des tubes et dans une même section, et qui peuvent être variables selon la-position du tube considéré. De plus, les fours a flamme précités sont encombrants prinóipalement en fonction du fait qu'une seule nappe de-tubes entoure la flamme. V D'autre part le rendement thermique de ces fours dépasse difficilement 80 % même dans le cas ou on récupère par échange thermique les calories évacuées dans les fumées de la combustion du combustible d'origine fossile. En outre, l'utilisation d'un combustible d'origine fossile pour le fonctionnement de ces fours entraîne une consommation supplémentaire d'un produit énergétique onéreux qu'il convient aujourd'hui d'économiser, notamment dans les pays occidentaux, pour en limiter l'emploi aux appli- cations o cette source d'énergie est strictement indispensable - Le but de la présente invention est de créer une installation qui remédie à tous les inconvénients précités. L'installation visée par l'invention pour la transformation chimique d'un mélange gazeux contenant notamment de l'hydrogène et des hydrocarbures comprend une succession de réacteurs pour faire réagir le mélange précité selon des réactions globalement endothermiques à des températures comprises entre 400 et 9000 C environ, sous haute pression et en présence - d'un catalyseur Un four est disposé en amont de chaque réacteur pour réchauffer le mélange gazeux avant son introduction dans le ledit réacteur. Suivant l'invention, cette installation est caractérisée en ce que les fours sont cons- titués par une enceinte comprenant une entrée et une sortie du mélange gazeux et renfermant une ou plusieurs résistance(s) électrique(s) de chauffage destinée(s) à être placée(s) en contact direct avec le mélange gazeux introduit dans cette enceinte. Ces fours électriques dans lesquels la résistance électrioue est directement en contact avec le mélange gazeux présentent une perte de charge nettement plus faible que celle des fours classiques. Des fours à résistance électriaue de chauffage remplacent ainsi les fours alimentés en combustible dorigine fossile, tel que du fuel léger ou lourd. En conséquence il est possible soit de diminuer la puissance des compresseurs utilisés pour recycler les effluents gazeux, soit de diminuer -la consommation énergétique globale de 1,installation s en ajoutant a celle-ci un ou plusieurs échangeurs thermiques charge/effluents supplémentaires. Par ailleurs ces fours électriques permet- tent de réguler la température de chauffage du mélange gazeux d'une manière beaucoup plus préci- se et aisée que dans les cas des fours classi- ques, de sorte qu'on évite tout risque de surchauf- fe susceptible d'entraîner des accidents et de chauffage insuffisant susceptible de diminuer le rendement des réactions. De plus, le rendement thermique de ces fours est nettement plus élevé que celui des fours classiques. Par ailleurs, le fait d'utiliser pour ces fours l'électricité comme source d'énergie, évite toute consommation supplémentaire de combustible d'origine fossile dont le coût est de plus en plus élevé par rapport à celui de l'électricité produi- te dans des centrales hydro-électiques et nucléaires. Selon une version particulière de l'inven- tion, l'installation comprend en parallèle avec chaque four alimenté en combustible d'origine fossile un four électrique constitué par une- enceinte comprenant une entrée et Une sortie du mélange gazeux et une ou plusieurs résistances électriques de chauffage destinées à être placées en contact direct avec le mélange gazeux introduit dans cette enceinte, et des moyens pour faire passer le mélange gazeux à volonté soit par les fours alimentés en combustible d'origine fossile, soit par les fours à résistances électriques. Ainsi une telle installation pourrait fonctionner par exemple pendant les mois d'hiver de la manière classique, en utilisant les fours conventionnels alimentés en combustible d'origine fossile et en dehors de cette période, en utili- sant les fours électriques, périodes dans lesquelles la consommation globale d'électricité est moins forte et ou le coût de cette dernière peut être plus réduit. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs-: la figure 1 est un schéma d'ensemble d'une installation de reformage catalytique du naphta, -les figures 2 et 3 sont des vues partielles de l'installation, montrant en particulier l'empla- cement des vannes. La figure 1 représente schématiquement une installation de reformage catalytique du naphta obtenu par distillation du pétroh brut, destinée à produire des essences à haut indice d 8 octane. Cette installation comprend 4 réacteurs Rl, R 2, R 3, R 4 dans lesquels on réalise les réactions de reformage entre un mélange gazeux d'hydrocarbures enrichi en hydrogène à des températures autour de 5000 C, des pression compri- ses entre 15 et 30 bars et en présence d'un cataly- seur à base de platine. Ces réactions sont globalement endothermi- ques. A cet effet, en amont de chaque réacteur R 1, R 2, R 3, R 4 est disposé un four F 1, F 22 F 3 F 4 qui permet de préchauffer le mélange d'hydrocarbures et d'hydrogène à la température optimale avant l'entrée de ce mélange dans le réacteur R 1, R 2, R 3,-R 4 suivant. Le mélange 1 d'hydrocarbures enrichi en hydrogène est introduit dans le premier four F 1 au moyen d'une pompe 2 L'effluent 3 issu du dernier réacteur R 4 passe dansdes échangeurs thermiques 4 disposésen amont du premier four F 1 et agencéspour réaliser un échange thermique entre cet effluent 3 et le mélange gazeux 1 qui est introduit dans le premier four FP 1 Cet échange thermique permet de préchauffer le mélange gazeux initial 1 avant son entrée dans le four F 1. L'effluent 3 apres cet échange thermique est refroidi dans un aéroréfrigérant 5 puis dans un réfroidisseur à eau 6, avant de pénétrer dans un ballon séparateur 7 dans lequel le gaz à recycler est séparé du reformat Ce reformat est récupéré en 8. Une partie du gaz à recycler 9 issu du séparateur 7 est comprimée au moyen d'un compresseur 10 qui le - réinjecte en aval de la pompe 2 pour le mélanger au naphta de départ. Conformément 1 ' invention, 1 ' installation comprend en parallèle avec chaque four F 1, F 2 e P 3 F 4 alimenté en combustible fossile, un four F 5, F 6, F 7, F 8 constitué par une enceinte 11, 12, 13, 14 comprenant une entrée 15 a, 16 a, 17 a, 18 a et une sortie 15 b, 16 b, 17 b, 18 b et qui renferme des résistancesélectriquesde chauffage 19, 20, 21, 22. Ces résistances de chauffage 19 à 22 sont placées en contact direct avec le mélange gazeux introduit dans chacun des fours électriques F 5, F 6, 7 2541133 F 7, F 8 ' Ces fours électriques F 5, F 6, F 7, F 8 sont construits de façon que le passage du mélange d'hy- drogène et d'hydrocarbures à travers ces fours s'ef- fectue avec une très faible perte de charge Ces fours électriques peuvent être conformes à celui décrit dans la demande de brevet français déposée le même jour, aux nomsdes demanderesses et qui est intitulée"Dispositif de chauffage électrique par effet Joule direct pour le chauffer un mélange gazeux " Par ailleurs, l'installation conforme à l'invention comporte des moyens pour faire passer le mélange gazeux à volonté soit par les fours classiques FI F 2, F 3, F 4 alimentés en combustible d'origine fossile, soit par les fours à résistances électriques F 5, F 6, F 7, F 8 Ces moyens sont constir tués ( voir figures 2 et 3) par des vannes V, V 2 V 4, V 5 placées a l'entrée et à la sortie des fours classiques F 1, o 4 et des vannes V 6, V 7 oo V 9 V VIÈ placées sur les dérivations 23 27 qui s'étendent entre les fours classiques Fi, F 4 et les fours électriques F 5 '' On voit également sur les figures 1 et 2 qu'un ou des échangeurs thermiques suppléeentaires 28 sont placés sur la dérivation 23 comprise entre la sortie 4 a des premierséchangeurs 4 et l'entrée 15 a du premier four électrique F 5 Ces échangeurs 28 sont agencés pour réaliser un échange thermique comrlmentaire entre le mélange gazeux introduit dans le premier four électrique F 5 et l'effluent gazeux 3 issu du dernier réacteur R 4 Des vannes Vii, V 12 placées en amont et en aval des échangeurs 28 sur un circuit 29 relié avec celui de l'effluent 3 et une vanne V 13 placée sur un circuit de dérivation 30 relié directement aux premierséchangeurs 4, permettent soit de faire passer l'effluent 3 dans les échanaeurs 28 lors de la mise en service des fours électri- 254 1 133 ques F 5, F 8, soit directement et seulement dans le premier échangeur 4 lors de la mise en service des fours classiques F 1, F 4. La perte de charge occasionnée par le ou les échangeun ( 28) est inférieure à la réduction de perte de charge réalisée lors de la mise en service des fours électriques F 5, F 8. On donne ci-après les caractéristiques de fonctionnement d'une installation telle que représentée sur la figure 1 traitant 1600 tonnes car jour de naohta. Fonctionnement Fonctionnement avec fours clas avec fours siques électriques Puissance ther-F 1 14, 5 i F 5 10 MW mique F 6 te F 6 MW (communiquée F 3 F 3 F 3 3 nu F 7 3 x W au fluide Dro 3 7 cédé) Fy 1 H F 8 1 MW total:24,5 %W total:20 Di W Température en C entrée dufour F 1 427,5 F 5 460 entrée des 4 réacteurs 5150 C 515 C sortie des réacteurs R 479 479 R 1 R 2 498 498 R 3 508,5 508,5 R 4 512,5 512,5 R_ 4, _ Pressions en bars entrée du com- presseur 10 sortie du com- presseur 10 ,4 34,6 ,4 33,2 l A l'examen du tableau ci-dessus, on constate que les pertes de charge sont beaucoup plus faibles dans les fours électriques F 5 F 8 que dans les fours classiques F 1 à F 4 Ce gain est de l'ordre de 3 bars au total 4 au-total. Du fait de cette diminution des pertes de charge, il serait possible de diminuer la puissance du compresseur 10. Lorsaue le compresseur 10 est conservé, ce qui est le cas de l'exemple représenté sur la / pertes de charge dans les fours F 1 1,4 F 5 0,2 F 2 0,8 F 6 0,15 F 3 0,7 F 7 0,1 F 40,6 8 0,05 dans les échan- geurs ( 4),( 28) -c 8 té mélange(l) 1,2 1,65 -coté effluent( 3 0,4 0,55 dans l'aéroré- frigérant ( 5) 0,4 0,4 dans le réfri- gérant à eau ( 6) 0,3 0,3 dans les vannes supplémentaires 1,O figure 1 et du tableau précité, la diminution des pertes de charge fournit à l'installation un crédit de pertesde charge qui permet d'insérer dans l'instal- lation, un ou des échangeurs supplémentaires 28 qui permettront au mélange initial 1 d'être porté par l'échange thermique avec l'effluent 3 issu du dernier réacteur R 4 a une température de 4600 C ou plus avant son entrée dans le premier four F 52 au lieu de 427,5 dans le cas d'utilisation des fours clas- siques. Etant donné que dans les deux cas, le mélange gazeux doit être porté à 515 C environ avant son entrée dans les différents réacteurs, on peut grâce aux échangeur supplémentaires 28 réduire la puissance, c'est=aàdire la consomma- tion en énergie du premier four électrique F 5. On constate que dans le cas du fonctionnement de l'installation avec des fours électricques F 5, 6 -5 à, F 7, F 8, on réalise, par rapport aux fours classiques un gain de 4,5 MW au niveau du premier four F 5. De nombreux autres avantages sont apportés par l'utilisation de fours électriques F 5 F 8. 8 Le fait de pouvoir faire fonctionner l'installation en bi-énergie, c'est-à-dire soit avec des fours classiques soit avec des fours électriques, permet en cas de panne des fours classiques de rendre l'installation immédiatement onérationnelle, sans arrêter J 'ensemble de l'instal- lation. / Il est avantageux de faire fonctionner l'installation avec les fours électriques, lors des périodes o la consommation globale d'énerqie est réduite et oû l'on peut disposer d électricité d'origine hydroélectrique ou nucleaire relativement bon marché. Par ailleurs, lorsque l'installation fonc- tionne avec les fours électriques F 5 a F 8 il est possible d'ajuster avec une très grande précision, la température de chauffage du mélange gazeux qui est introduit dans les différents réacteurs. Ainsi, on peut éviter les fluctuations de température autour du point de consigne, et mieux utiliser le catalyseur a l'entrée du mélange réactionnel, et conserver son efficacité pendant une durée plus longue. Bien entendu, l'invention pourrait ne comporter que des fours électriques en remplacement total des fours classiques. Dans ce cas l'installation pourrait être adaptée spécifiquement à un fonctionnement total avec des fours électriques. Ainsi, grâce au gain de pertes de char Te réalisé par l'utilisation de fours électriques il est possible soit de réduire notablement la puissance du compresseur 10 de recyclage de l'hydrogène, soit d'augmenter le nombre des échangeurs thermiques tels que 4, 28 qui permettent de réduire la puissance totaledes fours électriques, de sorte que dans tous les cas on réalise un important gain d'énergie. Bien entendu, l'invaention pourrait ne porter aue sur un remplacement partiel des fours classiques pour un ou ulusieurs tours électriques. Alternativement, on pourrait multiplier le nombre de fours et de réacteurs en diminuant corréla- tivement leurs tailles respectives, pour tendre vers un profil de température quasi-isotherme au sein du catalyseur Cela permettrait une meilleure utilisation du catalyseur, donc une réduction du volume global de catalyseur et ainsi une économie sur l'approvisionnement en catalyseur dont le coût est particulièrement élevé puisquvil est a base de métaux nobles et rares. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée a l'exemple que l'on vient de décrire aui a trait au reformage catalytiaue du naphta pour produire des essences. Ainsi, l'invention est applicable dans tous les cas o on réalise un chauffage de forte puissance d'un mélange d'hydrocarbures et d'hvdro Qène sous haute pression, en amont d'un ou plusieurs réacteurs dans lesquels ont lieu les réactions globalement endo- thermiaues, à des températures comprises entre 350 et 900 'C environ. Ainsi, l'invention peut également s'appliauer notamment aux installations de traitement de désulfuration des hydrocarbures à hydrogène. Dans toutes ces installations le remplacement des fours classiques alimentés en combustible d'oriaine fossile Dar des fours électriques à faible pertes de charge permet d'obtenir une économie d'énergie pouvant atteindre 45, ce qui est tout-à-fait surprenant. 2541 133 REVENDICATIONS 1.Installation pour la transformation chimique d'un mélange gazeux ( 1) contenant notam- ment de l'hydrogène et des hydrocarbures, cette installation comprenant une succession de réacteurs (R 1, - R 4) pour faire réagir le mélange précité selon des réactions globalement endothermiques, à des températures comprises entre 350 et 900 C environ, sous haute pression et en présence d'un catalyseur, ainsi qu'un four (F 5 oo F 8) disposé en amont de chaque réacteur (Rl O R 4) pour réchauffer le mélange gazeux avant son introduction dans ledit réacteur, caractérisée en ce que les fours (F 5 O F 8) sont constitués par une enceinte ( 11 14) comprenant une entrée ( 15 a 18 a) et une sortie ( 15 b 18 b) du mélange gazeux et une ou plusieurs résistances électriques de chauffage ( 19 22) destinées à être placées en contact direct avec le mélange gazeux introduit dans cette enceinte, ces fours (F 5 o F 8) présentant une perte de charge nettement inférieure à celle des fours classiques alimentés en combustible d'origine fossile. 2 Installation pour la transformation chimique d'un mélange gazeux ( 1) contenant notamment de l'hydrogène et des hydrocarbures, cette installation comprenant une succession de réacteurs (R 1 o R 4) pour faire réagir le mélange précité selon des réactions globalement endothermiques à des tenpératures comprises entre 350 et 900 C environ, sous haute pression et en présence d'un catalyseur, ainsi qu'un four (F 1 o* F 4) alimenté en combustible d'origine fossile disposé en amont de chaque réacteur (R 1 R 4), pour réchauffer le mélange gazeux avant son introduction dans le réacteur, cette installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend en parallèle avec chaque four (F 1 F 4) alimenté en combustible d'origine fossile, un four (F 5 F 8) constitué par une enceinte comprenant une entrée ( 15 a e 18 a) et une sortie ( 15 b 18 b) du mélange gazeux et une ou plusieurs résistances électriques de chauffage ( 19 22) destinées à etre placées en contact direct avec le mélange gazeux intro- duit dans cette enceinte et des moyens (V 1 V 2, V 6, V 7, 23 Vy 9 V 10 O 27) pour faire passer le mélange gazeux suivant les nécessités soit par les fours (F 1 F 4) alimentés en combustible d'origi- ne fossile, soit par les fours (F 5 oo F 8) à résistance électrique, ces fours présentant une perte de charge nettement inférieure à celle des fours classiques (F 1 F 4) alimentés en combustible d'origine fossile. 3 Installation conforme à la revendication 2, ap- pliquée au reformage catalytique du naphta, comprenant des fours (F 1 F 4) alimentés en combustible d'origine fossile disposés respectivement en amont de réacteurs (R 1 R 4),des échangeurs thermiques ( 4) disposésen amont du premier four (F 1) et agenc Yspour réaliser un échange thermique entre le mélange gazeux ( 1) introduit dans ce premier four (F 1) et l'effluent gazeux ( 3) issu du dernier réacteur (R 4), caractéri- sée en ce qu'un ou plusieurs échangeurs thermiques ( 28) sont placéssur la dérivation ( 23) comprise entre la sortie ( 4 a)des premier échangeurs( 4) et l'entrée ( 15 a) du premier four électrique (F 5) et agencés pour réaliser un échange thermique complémentaire entre le mélanqe gazeux ( 1) introduit dans ce premier four élec- trique (F 5) et l'effluent gazeux ( 3) issu du dernier réacteur (R 4)o 4 Installation conforme à la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (Vll, 29, V 12, V 13 30) pour faire passer l'effluent gazeux ( 3) issu du dernier des réacteurs (R 4) soit dans les échanaeurs thermiques supplémentaires ( 28) lorsque l'ensemble ou une partie des / 2541 133 fours électriques (F 5 F 8) sont mis en service, soit directement et seulement dans le premier échangeur ( 4) lorsque l ensemble ces fours (Fi F 4) alimen- tés en combustible d'origine fossile est en service. Installation conforme a l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la perte de charge occasionnée par les fours électriques (F 5 F) est 5 a 15 fois inférieure à celle des fours alimentés en combustible d'origine fossile. 6 Installation conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que la perte de charge occasionnée par le ou les échangeurs supplémentaires ( 28) peut atteindre une valeur équi- valente au gain en perte de charge réalisé lors de la mise en service dune partie ou'de l ensexmble dces fours électriques (Fs F 8) 7 Installation conforme a l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que la puissance du premier four électrique (F 5) est inférieure de plus de 20 % à celle communiquée au fluide procédé dans le cas du premier four F alimenté en combustible d'origine fossile.