Brevet FR2688797A1 — publié le 19930924

FOUR DE VAPOCRAOIJAGE D' HYDROCARBURES A FAISCEAU DE TUBES L'invention concerne un four de vapocraquage d'hydrocarbures, du type comprenant un faisceau de tubes de circulation d'une charge d'hydrocarbures et de vapeur d'eau. Le faisceau de tubes comprend en général une pluralité de tubes de petit diamètre1 qui sont agencés dans une zone ou une chambre de radiation du four et qui sont soumis à un flux thermique très élevé pour réaliser une montée rapide en température de la charge jusqu'à sa température de craquage et pour réaliser un craquage partiel de celle-ci. Dans un type de four de vapocraquage, chaque tube de petit diamètre est prolongé par un tube de plus grand diamètre, dans lequel est réalisé le craquage final de la charge. Le plus grand diamètre de ces tubes permet une augmentation de la section de passage des gaz, ce qui évite d'avoir une vitesse de circulation trop élevée des gaz dans la partie terminale du four et donc de réduire les pertes de charge (l'augmentation de la vitesse de circulation étant due notamment à l'augmentation de volume des gaz craqués, le craquage se traduisant par une augmentation du nombre de moles). Dans d'autres fours de vapocraquage, du type communément appelé "split coils", les tubes de petit diamètre sont réunis puis raccordés à un nombre plus faible de tubes de plus grand diamètre, dans lesquels a lieu le craquage final de la charge. Les diamètres de ces derniers tubes sont souvent déterminés pour réaliser une augmentation de la section de passage des gaz, permettant de limiter la vitesse de circulation des gaz et donc de réduire les pertes de charge. Dans tous les cas, ces tubes de plus grand diamètre ont une température de peau très élevée, par exemple de l'ordre de 1000 C ou davantage, car les gaz qui y circulent ont une température élevée. De plus, la limitation du débit massique des gaz dans ces tubes, liée à l'augmentation de la section de passage, et l'augmentation de leur diamètre conduisent à une limitation du coefficient d'échange de chaleur entre les tubes et les gaz qui y circulent, ce qui tend également à maintenir la température de peau de ces tubes à une valeur très élevée. Ces tubes ont une durée de vie relativement limitée, en raison des températures élevées auxquels ils sont soumis, et sont de plus très coûteux, car ils sont réalisés en acier réfractaire de haute qualité (par exemple alliage "HP" ou "XT") en général par moulage par centrifugation, et sont usinés intérieurement pour limiter un peu leur sensibilité au cokage. Leur cokage reste cependant important, du fait que les gaz craqués qui y circulent contiennent des quantités importantes de précurseurs de coke qui ont été formés dans les parties amont du faisceau de tubes, les phénomènes de cokage étant de plus amplifiés par la température de peau très élevée de ces tubes. La limitation de cette température de peau est l'un des problèmes critiques à résoudre lors de la conception d'un four de vapocraquage. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et peu coûteuse à ce problème. Elle propose à cet effet un four de vapocraquage d'hydrocarbures, du type à faisceau de tubes de circulation d'une charge d'hydrocarbures et de vapeur d'eau, comprenant des tubes de petit diamètre agencés dans une zone de radiation du four et reliés en aval à au moins un tube de craquage terminal de plus grand diamètre situé dans la zone de radiation et menant vers la sortie du four, caractérisé en ce que des éléments surfaciques allongés sont disposés sensiblement axialement à l'intérieur du tube de plus grand diamètre, au moins sur une partie de sa longueur, et ont des surfaces qui sont en contact avec les gaz circulant dans ce tube et qui s'étendent en regard des zones de surface du tube qui sont exposées directement aux flux thermiques élevés de la zone de radiation du four, pour absorber une partie du flux thermique reçu par ce tube et abaisser ainsi sa température de peau. L'invention permet donc, de façon simple et efficace, de réduire la température de peau des tubes de plus grand diamètre et donc de limiter leur cokage, en intensifiant le transfert de chaleur vers les gaz qui circulent dans ces tubes, au moyen de surfaces additionnelles disposées dans ces tubes et qui sont chauffées par le rayonnement émis par ces tubes. Avantageusement, les éléments surfaciques précités sont réalisés en tôle et/ou tubes en alliage de qualité moyenne, par exemple HK, inférieure à la qualité de l'alliage du tube correspondant de grand diamètre, et sont donc peu coûteux. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, les surfaces de ces éléments sont orientées et dimensionnées à l'intérieur des tubes de plus grand diamètre de façon à régulariser les températures de peau de ces tubes. Les surfaces de ces éléments ont notamment des aires maximales en regard des zones de tubes recevant les flux thermiques maximum, c'est-à-dire des zones en vis-à-vis des brûleurs ou des murs radiants de la zone de radiation. Selon une autre caractéristique de l'invention, ces éléments comprennent des discontinuités de surface. Ces discontinuités de surface jouent le rôle de turbulateurs ou bords d'attaque, permettant d'augmenter le coefficient d'échange de chaleur entre les éléments surfaciques et les gaz, ce qui permet de réduire encore la température de peau de ces tubes. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, ces éléments ont en section transversale une aire notable, telle qu'un volume mort sans circulation de gaz, qui diminue dans le sens de l'écoulement des gaz à l'intérieur des tubes, de façon à ce que l'aire de la section transversale de passage des gaz dans les tubes augmente en direction de la sortie du four. On peut ainsi réaliser, dans un tube de diamètre constant, une section de passage de gaz qui augmente progressivement dans le sens de l'écoulement des gaz, ce qui permet de conserver la vitesse de circulation des gaz à l'intérieur des tubes dans une plage limitée en dépit de l'augmentation du volume de gaz résultant du craquage, de la température élevée des gaz et de leur diminution de pression par perte de charge. On limite ainsi la vitesse maximale de circulation des gaz, et donc les pertes de charge. Par exemple, on peut maintenir une vitesse sensiblement constante. De façon générale, l'invention permet d'obtenir, dans un four de vapocraquage d'hydrocarbures, un débit de charge accru, du fait de l'accroissement de la surface de chauffe, avec une perte de charge relativement faible en fin de craquage, et de limiter la température de peau des tubes de plus grand diamètre, ce qui accroit la durée de vie de ces tubes et augmente la durée des périodes de fonctionnement du four entre deux phases de décokage. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaitront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels les figures 1 et 2 représentent schématiquement des exemples de fours de vapocraquage d'hydrocarbures, auxquels l'invention est applicable; la figure 3 est une vue schématique en coupe transversale, à plus grande échelle, d'une partie d'un four de vapocraquage selon l'invention; la figure 4 est une vue schématique partielle en coupe longitudinale, d'un tube comprenant un élément surfacique selon l'invention; les figures 5 et 6 sont des vues schématiques, en coupe transversale et en coupe longitudinale respectivement, illustrant des moyens de positionnement d'un élément surfacique dans un tube. On a représenté très schématiquement en figure 1 une partie d'un four 10 de vapocraquage d'hydrocarbures, comprenant deux nappes de tubes 12 de petit diamètre qui sont alimentés à leurs extrémités amont par une charge préchauffée d'hydrocarbures vaporisés et de vapeur d'eau et qui sont réunis à leurs extrémités aval à un tube 14 de plus grand diamètre, menant à un échangeur de trempe 15 situé à l'extérieur du four. Les tubes 12 de petit diamètre et le tube 14 de plus grand diamètre sont agencés dans la zone de radiation du four 10, les tubes 12 recevant un flux thermique très élevé, supérieur à celui reçu par le tube 14, pour réaliser une montée très rapide en température de la charge et pour réaliser également son craquage partiel. La charge alimentant les petits tubes 12 est à une température inférieure à 650'C et est chauffée très rapidement dans ces petits tubes jusqu'à la température de craquage des hydrocarbures, qui est de l'ordre de 800 C ou davantage. Le craquage final des hydrocarbures est réalisé dans le tube 14 de plus grand diamètre, puis les gaz craqués sont refroidis brutalement dans l'échangeur de trempe 15, pour arrêter les réactions de craquage. L'invention prévoit de disposer des éléments surfaciques allongés à l'intérieur du tube 14 de plus grand diamètre, comme cela sera décrit plus en détail en référence à la figure 3, ces éléments surfaciques permet tant de réduire et de régulariser la température de peau du tube 14. On notera également que la disposition du tube 14 de plus grand diamètre entre les deux nappes de tubes 12 et sensiblement à la verticale de l'échangeur de trempe 15, permet de simplifier le support mécanique de l'ensemble du faisceau de tubes. Cet agencement, rendu possible grâce à l'invention, remplace la disposition classique qui comprend deux tubes parallèles 14 de plus grand diamètre, qui sont à leur extrémité amont reliés chacun à une nappe de tubes 12 et qui sont à leur extrémité aval raccordés à l'entrée de l'échangeur de trempe par une pièce de liaison en Y dont le montage et le support sont relativement délicats. Il est clair toutefois que l'invention peut être appliquée également aux fours de ce type, ou plus généralement aux fours dont les faisceaux comportent deux tubes terminaux parallèles 14 raccordés en sortie à un échangeur de trempe. Dans le mode de réalisation de la figure 2, la zone de radiation du four 10 comprend des nappes d'au moins deux petits tubes 12 alimentés par une charge préchauffée d'hydrocarbures vaporisés et de vapeur d'eau, les extrémités aval des tubes 12 de chaque nappe étant réunies à des tubes 13, 14 en série formant un serpentin dans la zone de radiation du four, comprenant dans sa partie terminale un tube 14 de plus grand diamètre que les tubes 12 et dans lequel les hydrocarbures sont craqués, chaque tube 14 étant relié en sortie à l'entrée d'un échangeur de trempe 15 extérieur au four. Selon l'invention, des éléments surfaciques allongés sont disposés à l'intérieur de chaque tube 14 de plus grand diamètre, pour réduire et uniformiser sa température de peau. Comme représenté schématiquement en figure 3, ces éléments surfaciques allongés, désignés par la référence 16, sont disposés et orientés à l'intérieur des tubes 14 de façon à présenter une surface maximale en regard des parties de ces tubes qui sont exposées à un flux thermique maximum provenant de la chambre de radiation. Dans l'exemple de la figure 3, les tubes 14 s'étendent entre deux murs radiants 18 du four qui sont équipés de rangées de brûleurs 20. Les tubes 14 sont chauffés par rayonnement et leurs zones de surface A situées juste en face des murs radiants 18 et des brûleurs 20 reçoivent un flux thermique plus important que leurs zones de surface B qui ne sont pas orientées directement vers les murs radiants. Les zones B reçoivent un flux plus réduit car une partie de leur angle solide de réception comprend des surfaces de tubes formant écran, plus froides que les parois de la chambre de radiation. Les éléments surfaciques 16 qui sont disposés à l'intérieur des tubes 14 sont constitués par des tiges pleines 22 ou des tubes à section obturée comportant deux ailettes radiales 24 diamétralement opposées. Les tiges ou tubes 22 forment des volumes morts, sans circulation de gaz, et s'étendent axialement dans les tubes 14, les ailettes 24 étant sensiblement parallèles aux murs radiants 18 du four. Dans ces conditions, le flux thermique extérieur reçu par une zone d'un tube 14 est transmis en partie par convection aux gaz qui circulent dans ce tube et en partie par rayonnement à l'élément surfacique 16 disposé dans ce tube, cet élément 16 étant à une température inférieure à celle de la surface interne du tube 14, et le flux thermique transmis par rayonnement de cette zone de tube à l'élément 16 étant fonction de la surface de l'élément 16 qui est située en vis-à-vis de cette zone de tube. Il en résulte les avantages suivants - en absorbant une partie du flux thermique extérieur reçu par un tube 14, l'élément surfacique 16 disposé dans ce tube a pour effet de réduire le flux thermique transmis par convection aux gaz circulant dans ce tube, et donc de réduire la température de peau du tube qui est en relation directe avec le flux thermique de convection;; - en faisant varier la surface de l'élément 16 qui est située en vis-à-vis d'une zone de tube, dans le même sens que le flux thermique extérieur reçu par cette zone de tube, c'est à dire en disposant la plus grande surface de l'élément 16 en vis-à-vis des zones A de tube qui reçoivent le maximum de flux thermique des murs radiants, et la plus petite surface de l'élément 16 en visà-vis des zones B de tube qui reçoivent le minimum de flux thermique des murs radiants , on tend à uniformiser les flux thermiques de convection qui sont transmis par ces zones de tube aux gaz circulant dans le tube, et donc à uniformiser la température de peau du tube. L'abaissement et l'uniformisation de la température de peau du tube ont un effet très favorable sur la durée de vie du tube et sur son cokage. Corrolairement, l'invention permet également d'augmenter le diamètre d'un tube 14 sans augmenter pour autant sa température de peau maximale. L'invention prévoit également que les tiges ou tubes centraux 22 des éléments surfaciques 16 sont de forme tronconique comme représenté en figure 4, et ont une section qui diminue progressivement dans le sens de l'écoulement des gaz dans les tubes 14, de telle sorte que la section de passage des gaz dans ces tubes augmente progressivement en direction de la sortie du four, ce qui permet de compenser au moins en partie l'augmentation du volume des gaz résultant de leur craquage, de leur élévation de température et de leur diminution de pression par perte de charge. En outre, les ailettes 24 des éléments 16 peuvent présenter des discontinuités de surface 26, de façon à former des bords d'attaque ou turbulateurs améliorant le coefficient d'échange de chaleur par convection. Enfin, la largeur des ailettes peut être augmentée dans les zones situées en vis-à-vis des brûleurs 20, ainsi que représenté pour l'ailette centrale de la figure 4. Grâce à ces moyens, la température de peau des tubes 14 de plus grand diamètre peut être abaissée de plusieurs degrés C, généralement de 15 à 70'C ce qui a une influence importante sur le cokage. Les éléments surfaciques 16 sont de préférence fixés en un point unique sur les tubes 14, par exemple à leur extrémité supérieure, et sont libres en dilatation longitudinale à leur autre extrémité. L'invention n'est pas restreinte aux éléments surfaciques représentés; ces éléments peuvent être de simples tôles planes allongées, ou autres, sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, ces tôles ou les ailettes 24 des éléments 16 peuvent être vrillées en spirale le long de l'axe des tubes 14 et/ou interrompues sur des longueurs comprises entre 0,5 et 2 fois le diamètre des tubes 14, ce qui permet d'uniformiser par mélange la température des gaz qui circulent de part et d'autre respectivement des éléments surfaciques 16. Avantageusement, et comme représenté schématiquement dans les figures 5 et 6, les éléments 16 sont positionnés à l'intérieur des tubes 14 par des doigts radiaux 28 qui sont soit fixés sur les éléments 16, soit fixés sur les tubes 14 comme représenté aux dessins. Dans ce cas, et comme on le voit mieux en figure 6, les tubes 14 peuvent être renforcés mécaniquement au niveau des zones de fixation des doigts radiaux 28 par une épaisseur plus grande 30, ces renforts étant de préférence isolés thermiquement du rayonnement externe par du calorifuge pour refroidir localement le tube 14 et augmentant sa résistance mécanique. Les extrémités internes des doigts 28 peuvent être élargies parallèlement à l'axe du tube comme représenté en 32, de façon à ce que leurs bords supérieur et inférieur présentent des pointes susceptibles de décoller une couche de coke qui se formerait entre la tige 22 de l'élément 16 et l'extrémité radialement interne d'un doigt 28, ce décollement résultant d'un mouvement axial relatif entre le doigt 28 et la tige 22 de l'élément 16, ce mouvement résultant lui-même d'une dilatation thermique différentielle. Les extrémités des doigts 28 seront avantageusement pointues pour éviter la croissance de coke entre des surfaces importantes en vis-à-vis. Les doigts radiaux peuvent former un angle non nécessairement de 90 avec l'axe des tubes 14, pour apporter une certaine flexibilité. On indiquera, à titre d'exemple, que les tubes 14 dans lesquels sont prévus les éléments 16 peuvent avoir un diamètre compris entre 100 et 280 mm environ, quand les tubes 12 ont un diamètre compris entre 30 et 90 mm environ, et que la surface utile pour le chauffage des éléments 16 disposés dans les tubes 14 est supérieure à environ 20% de la surface de ces tubes, et comprise par exemple entre 25 et 90% de cette surface, au moins pour ce qui concerne la dernière longueur droite du tube terminal 14. L'invention n'est pas limitée aux géométries de fours ou de faisceaux décrites ici mais s'applique à tous types de fours comportant des premiers tubes, et des tubes terminaux de plus grand diamètre. REVENDICATIONS 1. Four de vapocraquage d'hydrocarbures, du type à faisceau de tubes de circulation d'une charge d'hydrocarbures et de vapeur d'eau, comprenant des tubes (12) de petit diamètre agencés dans une zone de radiation du four (10) et raccordés en aval à au moins un tube (14) de craquage terminal de plus grand diamètre situé dans la zone de radiation et menant vers la sortie du four, caractérisé en ce que des éléments surfaciques allongés (16) sont disposés sensiblement axialement à l'intérieur du tube (14) de plus grand diamètre, au moins sur une partie de sa longueur, et ont des surfaces qui sont en contact avec les gaz circulant dans ce tube et qui s'étendent en regard des zones de surface (A) du tube qui sont exposées directement aux flux thermiques élevés de la zone de radiation du four, pour absorber une partie du flux thermique reçu par ce tube et abaisser ainsi sa température de peau. 2. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments surfaciques (16) sont réalisés dans un alliage de qualité inférieure à celle du tube correspondant de plus grand diamètre. 3. Four selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces desdits éléments (16) sont orientées et dimensionnées à l'intérieur du tube (14) de façon à régulariser les températures de peau de ce tube. 4. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les surfaces desdits élé ments (16) ont des aires maximales en regard des zones (A) du tube (14) recevant les flux thermiques radiatifs les plus élevés. 5. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits éléments (16) comprennent des discontinuités de surface (26) pour former des turbulateurs ou bords d'attaque augmentant le transfert thermique. 6. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits éléments sont constitués par des tubes ou des tiges (22) comportant des ailettes (24) radiales orientées parallèlement aux murs (18) de la zone de radiation. 7. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits éléments (16) ont en section transversale une aire notable qui diminue dans le sens de l'écoulement des gaz craqués à l'intérieur des tubes (14), de façon à ce que l'aire de la section transversale de passage des gaz dans les tubes (14) augmente en direction de la sortie du four. 8. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits éléments (16) sont fixés par leur extrémité supérieure en un seul point aux tubes (14), et sont positionnés à l'intérieur de ces tubes par des doigts radiaux (28). 9. Four selon la revendication 8, caractérisé en ce que les doigts radiaux (28) sont fixés aux tubes (14), ces derniers étant renforcés et thermiquement isolés au niveau des fixations des doigts radiaux.