Brevet FR2671095A1 — publié le 19920703

La présente invention se rapporte à un procédé comportant la circulation de réactifs dans un tube. La présente invention a également pour objet un dispositif constitué par un four destiné à la mise en oeuvre de ce procédé. I1 est connu de réaliser des réactions chimiques à haute température par des procédés qui consitent à faire circuler les réactifs des réactions dans un tube maintenu à haute température et qui est disposé à l'intérieur d'une zone de radiation d'un four. Plus particulièrement, pour fabrïquer des oléfines, notamment de l'éthy- lène, du propylène ou de l'isobutène, il est connu de réaliser une réaction de craquage à la vapeur d'eau d'hydrocarbures liquides ou gazeux dans des fours dont la température de sortie est généralement comprise entre 7500C et 880"C. Dans ce procédé connu sous le nom de craquage ou de pyrolyse à la vapeur d'eau ou encore sous le nom de vapocraquage, on fait passer à travers la zone de radiation d'un four un mélange d'hydrocarbures et de vapeur d'eau circulant dans un tube de craquage disposé sous la forme d'un serpentin à l'intérieur de ce four. Toutes ces réactions chimiques sont le plus souvent effectuées dans des fours modernes comprenant en général un dispositif de chauffe constitué de brûleurs disposés sur la sole et/ou sur les murs internes du four. La puissance thermique de chauffe de ces brûleurs est avantageusement répartie le long du tube de telle sorte que les réactifs de la réaction soient soumis à une température qui augmente le long du tube depuis la température d'entrée de la zone de radiation jusqu'à la température de sortie de cette zone. Lorsque le tube est maintenu à haute température, il est important de bien contrôler la température de sa surface externe, dite température de peau. En effet, compte tenu des contraint contraintes thermiques du tube et du fait que l'on désire généralement éviter un vieillissement prématuré du tube, on règle la puissance thermique de chauffe des brûleurs de telle sorte que la température de peau mesurée a n' importe quel endroit du tube soit toujours inférieure à une température de peau limite. Celle-ci est une caractéristique technique du tube et dépend largement de la durée de vie souhaitée pour le tube ainsi que la nature du métal ou de l'alliage constituant le tube. Lorsqu'on réalise une réaction de craquage à la vapeur d'eau d'hydrocarbures, la température de peau limite est en général comprise entre 1050 C et 1110 C. La plupart des réactions chimiques réalisées dans un tube présentent l'inconvénient majeur de générer des produits qui se déposent sur la paroi interne du tube. Ainsi en réalisant un procédé de vapocraquage d'hydrocarbures on observe, notamment lorsque la température de craquage est élevée et/ou lorsque le tube de craquage est alimenté suivant un débit important, qu'il se forme une une couche de coke à l'intérieur du tube de craquage. Les dépôts de produits sont particulièrement gênants, car ils limitent sensiblement les transferts thermiques à travers la paroi du tube. Aussi afin de maintenir une température de réaction constante, on observe qu'il est nécessaire d'augmenter la puissance thermique délivrée par les brûleurs au fur et à mesure de l'augmentation de l'épaisseur de la couche de produits, ce qui se traduit par une augmentation de la consommation énergétique du four.D'autre part consécutivement à l'augmentation de la puissance thermique délivrée par les brûleurs on constate une augmentation de la température de peau du tube. Ce phénomène est particulièrement gênant, car plus les dépôts de produits augmentent, plus il est difficile, voire impossible de maintenir une température de peau inférieure à la température de peau limite si l'on désire réaliser la réaction avec une production et un rendement satisfaisants. Dans ces conditions, il est nécessaire d'arrêter régulièrement la réaction afin de procéder à une élimination des dépôts de produits. Dans le cas particulier d'une réaction de vapocraquage, cette élimination s'effectue par une opération de décokage du tube de craquage. Cette opération consiste à faire circuler un mélange d'air et de vapeur d'eau à l'intérieur du tube de craquage qui est maintenu à une température suffisante pour pouvoir brûler et éliminer tout le coke présent.Dans la pratique, on observe qu'une opération de décokage est relativement longue, généralement d'une durée totale voisine de 24 heures et qu'il est souhaitable de décoker un tube selon une fréquence élevée, le plus souvent voisine de 2 à 3 mois. Compte tenu du fait que les réactions chimiques sont généralement effectuées dans des installations ayant une grande taille, les arrêts nécessaires pour éliminer les couches de produits à l'intérieur du tube conduisent à un manque important de production. Ainsi depuis plusieurs années de nombreuses études ont été menées aussi bien en laboratoire qu'au stade industriel dans le but de trouver un procédé permettant d'éliminer et/ou de limiter voire d'empêcher les dépôts de. produits sur la paroi interne du tube. I1 a été maintenant trouvé un procédé de fabrication qui permet notamment de réaliser une réaction chimique à l'intérieur d'un tube disposé dans l'enceinte de radiation d'un four, tout en évitant les inconvénients cités auparavant. En particulier, il permet d'éliminer et/ou de limiter les dépôts de produits sur la paroi interne du tube, notamment sans être obligé d'arrêter la réaction chimique et sans modifier son rendement et/ou sa production. Par ailleurs, le procédé de l'invention peut être facilement adapté aux installations industrielles déjà existantes. La présente invention concerne tout d'abord un procédé de fabrication dans lequel on fait circuler un ou plusieurs réactifs à l'intérieur d'un tube disposé dans une zone de radiation d'un four, procédé caractérisé en ce qu'on fait vibrer suffisamment au moins une partie du tube de façon à limiter et/ou éliminer, sur sa paroi interne, les dépôts des réactifs et/ou des produits obtenus par le procédé. Selon le procédé de l'invention, il est essentiel de soumettre le tube à Ùne vibration suffisante de façon à limiter ou/et éliminer les dépôts de produits sur sa paroi interne. Pour cela, la vibration a généralement une fréquence comprise entre 50 et 2000 Hertz, de préférence comprise entre 100 et 1000 Hertz, qui d'une manière avantageuse, peut être l'une des fréquences propres de vibration du tube. Selon une variante particulièrement intéressante de la présente invention, on peut générer une vibration transversale du tube. En particulier on peut générer une vibration transversale du tube telle qu'au moins un point de ce tube vibre avec une amplitude, qui représente le déplacement de ce point entre ses deux positions extrêmes, supérieure à 10 de préférence à 10 fois le diamètre interne moyen du tube.Toutefois l'amplitude de vibration de tous les points du tube ne doit pas être trop importante car dans ce cas, on observe une diminution prématurée des propriétés mécaniques du tube qui peut entraîner sa rupture et/ou la rupture de ses fixations. Au cours du procédé la vibration du tube peut être effectuée de façon isolée ou de façon intermittente. Dans ce cas le procédé permet plus particulièrement l'élimination des dépôts. de la paroi interne du tube. Elle peut également être effectuée de façon continue, ce qui permet d'éviter les dépôts. La vibration du tube peut être provoquée par tout moyen. En particulier, elle peut être provoquée par une source de vibrations mécaniques. D'autre part, compte tenu du fait qu'en général un mélange gazeux circule dans la zone de radiation du four, la vibration du tube peut également être provoquée par une onde stationnaire de pression. Celle-ci doit être établie dans la zone de radiation, notamment entre deux de ses parois et de préférence selon une direction- parallèle ou sensiblement parallèle au tube. Cette onde stationnaire est caractérisée par le fait qu'il se forme dans la zone de radition des ventres de pression ou l'excitation du tube est maximale et des noeuds de pression où l'excitation est nulle, dont les positions dépendent de la longueur d'onde de l'onde stationnaire. Selon le procédé de l'invention, là vibration transversale du tube peut s'effectuer selon l'une de ses fréquences propres. Dans ce cas, la vibration transversale du tube est caractérisée par une déformation comportant des noeuds de vibration dont l'amplitude de déplacement du tube w est nulle et des ventres de vibration ou cette amplitude est maximale. Selon une variante intéressante, la position des noeuds et des ventres de vibration peut être changée plusieurs fois au cours du procédé, en choisissant des fréquences propres de vibration différentes. La présente invention repose sur la découverte étonnante qu'une vibration du tube permet d'éliminer et/ou de -limiter considérablement les dépôts de produits sur sa paroi interne, sans pour autant modifier le procédé et notamment son rendement. Par ailleurs, on a constaté avec surprise que la vibration du tube réalisée dans les conditions de l'invention n'entraînait pratiquement aucun vieillissement prématuré de celui-ci et en particulier aucune diminution prématurée de ses propriétés mécaniques. L'avantage du procédé réside essentiellement en une réduction importante de la fréquence des opérations d'élimination des produits déposés. Grâce au procédé de -l'invention, on peut réaliser toute réaction chimique effectuée habituellement à haute température, notamment entre 100 et 9000 C, de préférence entre 500 et 8500C, en faisant circuler des réactifs dans un tube disposé dans l'enceinte de radiation d'un four. En particulier, cette réaction chimique peut être une réaction de craquage thermique de différents produits organiques notamment'de dichloro-1,2 éthane en vue d'obtenir du chlorure de vinyle. Le procédé est toutefois plus particulièrement adapté au craquage d'un mélange d'eau et d'hydrocarbures, dite réaction de vapocraquage, réalisé dans un tube de craquage disposé dans la zone de radiation d'un four de craquage. Dans ce cas, pour réaliser le procédé la température de craquage augmente le long du tube de craquage, depuis l'entrée jusqu'à la sortie de la zone de radiation du four, c'est à dire dans le sens d'écoulement du mélange réactionnel.En particulier, la températuré de craquage du mélange d'hydrocarbures et de vapeur d'eau est à l'entrée de la zone de radiation du four comprise entre 5000C et 700oC de préférence comprise entre 5500C et 660"C elle est à la sortie de cette zone comprise entre 800 C et 880 C, de préférence comprise entre 8100C et 860"C, l'augmentation de la température de craquage le long du tube peut être quelconque, uniforme ou telle que décrite dans les brevets français FR-A-2600665 et FR-A-2600667.Par ailleurs, le mélange d'hydrocarbures et de vapeur d'eau est, géneralement soumis à un préchauffage avant son entrée dans la zone de radiation du four, ce préchauffage pouvant être réalisé par tout moyen connu, notamment dans une zone de chauffage par convection du four. Le temps de séjour moyen du mélange d'hydrocarbures et de vapeur d'eau circulant dans le tube entre l'entrée et la sortie de la zone de radiation du four est généralement compris entre 300 et 1800 millisecondes, de préférence entre 400 et 1400 millisecondes. La composition du mélange d'hydrocarbures et de vapeur d'eau, est telle que le rapport pondéral de la quantité d'hydrocarbures à la quan-tité de vapeur d'eau est compris entre 1 et 10, de préférence compris entre 2 et 6. Lors du procédé de craquage à la vapeur d'eau, on peut mettre en oeuvre aussi bien des hydrocarbures liquides ou gazeux. Les hydrocarbures liquides peuvent être choisis parmi le naphta constitué d'hydrocarbures comportant environ de 5 à 10 atomes de carbones, les essences légères constituées d'hydrocarbures comportant environ de 5 à 6 atomes de carbone, le gas oil constitué d'hydrocarbures comportant environ de 8 à 15 atomes de carbone, ainsi que leurs mélanges. Ils peuvent en outre être utilisés en mélange avec des hydrocarbures saturés et insaturés comportant de 3 à 6 atomes de carbone. Les hydrocarbures gazeux peuvent être des alcanes comportant de 2 à 4 atomes de carbone et/ou de méthane et/ou des alcanes comportant de 5 ou 6 atomes de carbone.On peut en particulier, mettre en oeuvre dans le procédé de craquage à la vapeur d'eau du gaz naturel, du gaz de pétrole liquéfié également appelé LPG ou de l'éthane, produit secondaire issu de vapocraquage d'hydrocarbures liquides tels que le naphta ou le gasoil. La présente invention concerne également un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé décrit précédemment, en particulier un dispositif constitué d'un four comprenant une enceinte thermique de radiation munie de moyens de chauffe consitutés par des brûleurs, enceinte à travers laquelle passe au moins un tube, à l'intérieur duquel circulewles réactifs mis en oeuvre dans le procédé, dispositif caractérisé en ce qu'il est muni d'au moins un moyen d'excitation susceptible de générer une vibration d'au moins une partie du tube telle qu'on limite et/ou on élimine sur sa paroi interne, les dépôts des réactifs et/ou des produits obtenus par le procédé. Le dispositif de l'invention doit être constitué d'un four comprenant au moins un tube disposé dans son enceinte thermique de radiation. Le tube a généralement un diamètre interne moyen allant de 20 à 200 mm, de préférence de 30 à 150 mm, une épaisseur allant de 3 à 15 mm et est le plus souvent constitué d'une section droite ou de plusieurs sections droites reliées entre elles, notamment par des coudes. Le four est adapté à la réaction chimique réalisée. En parti culier, lorsque le procédé est utilisé pour effectuer une réaction de vapocraquage, le four doit être un four de vapocraquage qui comprend une enceinte thermique de radiation à travers laquelle, passe au moins un tube de craquage disposé sous ia forme d'un serpentin horizontal ou vertical.Ce tube de craquage présente généralement un rapport entre la longueur et le diamètre moyen interne compris entre 30 et 1500 et de préférence compris entre 300 et 1000. En particulier, le diamètre moyen interne du tube de craquage est de préférence égal ou supérieur à 100 mm, de telle sorte que le temps de séjour moyen du mélange réactionnel dans le tube de craquage puisse être relativement important et que les pertes de charge du mélange circulant dans le tube de craquage puissent être faibles. Toutefois, le diamètre moyen interne et la longueur de tube doivent rester dans des domaines de valeurs compatibles avec les contraintes mécaniques et thermiques, auxquelles sont soumis les matériaux constituant le tube de craquage. En particuculier, le diamètre moyen interne du tube de craquage ne peut excéder 250 mm environ.D'une manière avantageuse, le tube de craquage peut avoir un diamètre interne variable sur sa longueur comme décrit dans les brevets français FR-A-2600667 et FR-A-2600641. Dans la pratique, le tube de.craquage est disposé sous la forme d'un serpentin constitué d'une succession de sections droites reliées entre elles par des coudes. Le moyen d'excitation, du dispositif de l'invention peut être une source génératrice de vibrations mécaniques, disposée à l'intérieur ou à l'extérieur de la zone de radiation du four et reliée au tube par l'intermédiaire d'une liaison mécanique. La source de vibrations peut être une machine vibrante. Le moyen d'excitation peut égaiement être un générateur d'ondes stationnaires de pression et en particulier d'ondes sonores. Dans ce cas, les parois de la zone de radiation doivent permettre la réflexion des ondes de pression et en particulier être constituées d'un matériau peu absorbant. Le générateur d'ondes de pression peut être un générateur de signaux électriques, une membrane vibrante, telle que celle d'un haut parleur, une sirène ou encore une corne de brume. I1 peut encore être constitué par l'ensemble des brûleurs de l'enceinte de radiation du four lorsque les flammes de ces brûleurs génèrent des ondes stationnaires de pression. Ces ondes stationnaires peuvent être notamment générées pour certaines dispositions des brûleurs sur les parois de l'enceinte de radiation etlou pour certaines compositions du combustible alimentant ces brûleurs. La figure 1 illustre schématiquement un four horizontal de vapocraquage, selon la présente invention, comprenant une enceinte thermique de radiation (1), à travers laquelle passe un tube de craquage disposé sous la forme d'un serpentin constitué de huit sections droites horizontales reliées entre elles par des coudes, les sections (2) à (9) ont un diamètre interne moyen de 108 mm. L'entrée et la sortie du tube de craquage dans l'enceinte thermique de radiation sont respectivement en (10) et (11). Ce four de vapocraquage comprend une enceinte thermique de radiation munie de moyens de chauffe constitués de brûleurs, disposés par exemple en rangées sur la sole et/ou sur les murs de l'enceinte.La disposition, le règlage et/ou la taille des brûleurs dans l'enceinte thermique, sont tels que les vibrations des flammes des brûleurs produisent un système d'ondes stationnaires de pression à l'intérieur de l'enceinte thermique' de radiation. L' exemple non limitatif suivant illustre la présente invention. Exemple 1 On opère dans un four de vapocraquage, tel que représenté schématiquement à la figure 1, qui comprend une enceinte thermique de radiation (1) en briquetage, constitué par un parallélipipède rectangle dont les dimensions internes sont de 9,75 m pour la longueur, de 1,70 m pour la largeur et de 4,85 m pour la hauteur. Dans l'enceinte (1), on place un tube de craquage en acier réfractaire à base de nickel et de chrome ayant un diamètre interne de 108 mm, une épaisseur de 8 mm et compte tenu de la capacité de l'enceinte et des contraintes thermiques du four, une longueur totale de 80 mètres, comprise entre l'entrée et la sortie de l'enceinte. Ce tube de craquage est disposé sous la forme d'un serpentin, comprenant huit sections droites horizontales d'égale longueur chacune reliées entre elles par des coudes.Le diamètre interne de ces sections droites est constant et égal à 108 mm. L'enceinte thermique de radiation du four de vapocraquage est munie de brûleurs disposés sur les murs de l'enceinte suivant cinq rangées horizontales situées à égale distance les unes des autres. La puissance thermique de l'ensemble de ces brûleurs est répartie de façon homogène entre ces cinq rangées. Tous les brûleurs sont alimentés, d'une part suivant un débit sensiblement constant de 1750 kg/heure combustible constitué d'un mélange gazeux comprenant en volume 90 % de méthane, et 10 % d'hydrogène et d'autre part d'air préchauffé à 1000C en quantité suffisante pour assurer une bonne combustion du mélange gazeux. Dans ce tube de craquage, on fait circuler un mélange d'hydrocarbures liquides et de vapeur d'eau. Les hydrocarbures liquides sont constitués par un naphta de densité 0,717, ayant un intervalle de distillation ASTM 44/165"C et des teneurs pondérales de 32,74 % en paraffines linéaires, de 30,95 =I -en paraffines ramifiées, de 28,80 % en composés cyclaniques et de 7,51 X en composés aromatiques. La composition du mélange de naphta et de vapeur d'eau mise en oeuvre est telle, que le rapport pondéral de la quantité de naphta à la quantité de vapeur d'eau est de 4. On introduit ainsi dans le tube de craquage le naphta suivant un débit de 3700 kg/h et la vapeur d'eau suivant un débit de 925 kg/h. La température de craquage du mélange du naphta et de la vapeur d'eau s'élève de 570oC à l'entrée de la zone de radiation du four jusqu'a 8100C à la sortie de cette zone. La pression du mélange est à la sortie du four de 170 kPa. Le temps de séjour moyen de mélange de naphta et de vapeur d'eau circulant dans le tube de craquage entre l'entrée et la sortie de la zone de radiation du four est de 900 millisecondes. Dans ces conditions, on produit par heure 752 kg d'éthylène, 598 kg de propylène, 102 kg d'isobutène, 157 kg de butadiène et 186 kg d'éthane et on mesure une température de peau maximum de 990 C. Durant deux jours, on modifie l'alimentation des brûleurs de façon à les alimenter par 1750 kg/heure d'un nouveau mélange gazeux comprenant en volume 75- % de méthane et 25 -E d'hydrogène. Dans ces nouvelles conditions la production et le rendement du four ne sont pas modifiés et on observe une vibration du tube de craquage provenant des ondes stationnaires générés par les vibrations des flammes des brûleurs. Cette vibration du tube de craquage élimine une partie du coke déposé auparavant sur sa paroi interne ce qui se manifeste, à l'issue des deux jours, par une nouvelle température de peau maximum inférieure inférieure à la précédente et voisine de 950 C. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication dans lequel on fait circuler un ou plusieurs réactifs à l'intérieur d'un tube disposé dans une zone de radiation d'un four, procédé caractérisé en ce qu'on fait vibrer suffisamment au moins une partie du tube de façon à limiter et/ou éliminer sur sa paroi interne les dépôts des réactifs et/ou des produits obtenus par le procédé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vibration du tube a une fréquence comprise entre entre 50 et 2000 Hertz. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vibration du tube est une vibration transversale telle qu'au moins un -6 point de ce tube vibre avec une amplitude supérieure à 10 fois le diamètre interne moyen du tube réactionnel. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise à l'intérieur du tube uné réaction chimique à une température comprise entre 100 et 9000 C. 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que la réaction chimique effectuée dans le tube est une réaction de craquage thermique du dichloro-1,2 éthane. 6. Procédé selon la revendication-4, caractérisé en ce que la réaction chimique est une réaction de craquage d'un mélange d'eau et d'hydrocarbures réalisée de telle sorte qutà l'entrée de la zone de radiation la température de craquage est comprise entre 500 et 700 C et qu'à la sortie de la zone de radiation la température de craquage est comprise entre 800 et 880pu. 7. Dispositif pour effectuer un procédé de fabrication, consitué par un four comprenant une enceinte thermique de radiation munie de moyens de chauffe constitués par des brûleurs, enceinte à travers laquelle passe au moins un tube, à l'intérieur duquel circule les réactifs mis en oeuvre dans le procédé, dispositif caractérisé en ce qu'il est muni d'au moins un moyen d'excitation susceptible de générer une vibration d'au moins une partie du tube, telle que l'on limite et/ou que l'on élimine sur sa paroi interne, les dépôts des réactifs et/ou obtenus par le procédé. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen d'excitation est un générateur d'ondes stationnaires de pression à l'intérieur de l'enceinte thermique de radiation ou une source de vibrations mécaniques reliée au tube par l'intermédiaire d'une liaison-mécanique. 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen d'excitation est constitué par les brûleurs de l'enceinte de radiation disposés et/ou alimentés en combustible de telle sorte que les vibrations des flammes des brûleurs génèrent des ondes stationnaires de pression. 10. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le four est un four de vapocraquage.