Brevet FR2760465A1 — publié le 19980911

L'invention concerne un four tubulaire à radiation pour la décomposition thermique d'hydrocarbures en présence de vapeur d'eau. De tels fours sont utilisés notamment pour le vapocraquage d'hydrocarbures, par exemple d'éthane, de propane, de butane, ou de fractions telles que du naphta ou des gazoles atmosphériques ou sous vide, pour la production d'éthylène et de propylène. De tels fours sont également utilisés pour le vaporéformage d'hydrocarbures, par exemple de méthane, pour la production d'hydrogène ou de mélanges H2/CO. Ces fours comprennent typiquement une zone de convection pour le préchauffage de la charge et une zone de radiation, ou zone réactionnelle, à flux thermique plus élevé permettantde réalisera conversion des hydrocarbures à des températures comprises typiquement entre 650 et 950"C. La charge préchauffée et additionnée de vapeur d'eau circule dans des faisceaux tubulaires disposés dans l'enceinte de radiation, selon une ou plusieurs passes, c'est à dire un ou plusieurs passages verticaux le long de la hauteur de la zone de radiation. Les tubes sont en alliage réfractaire et leur température de peau est généralement comprise entre 800 et 120000. Dans le cas du réformageà la vapeur, les tubes contiennent du catalyseur. L'un des problèmes techniques les plus importants pour le dimensionnement et l'agencement de ce type de fours consiste à transférer aux tubes un flux thermique très élevé sans pour autant provoquer de points chauds excessifs, ou générera niveau des tubes une température de peau moyenne trop élevée qui conduirait à des déformations irréversibles excessives, ou à la rupture de ces tubes par fluage. Les tubes sont en effet de façon très classique suspendus par leur extrémité supérieure par des moyens mécaniques tels qu'un point fixe (par exemple un échangeur de trempe) ou un ressort, ou un contrepoids, ou un dispositif équivalent. Ils doivent supporter leur poids, sur leur longueur qui est typiquement de 10 mètres. Compte tenu des températures de service utilisées, et des alliages réfractaires disponibles, les tubes travaillent toujours dans la zone de fluage, ce qui conduit à prévoir des longueurs d'allongementadmissibles et à limiter le flux thermique reçu par ces tubes. Ainsi, le phénomène de fluage à haute température est l'un des paramètres essentiels de dimensionnementde ces fours tubulaires. II impose notamment de ne pas dépasser classiquement des longueurs de tubes d'environ 10 à 12 mètres afin de ne pas trop augmenter le poids des tubes et donc leur fluage. L'objet de l'invention est un four à radiation très peu sensible au fluage. Un autre objet de l'invention est un four à radiation dont les contraintes dimensionnelles du fait du fluage ont été repoussées plus loin, notamment un four avec des longueurs de tubes très grandes, non conventionnelles, ce qui permet de diminuer le coût de construction et d'accroître le débit unitaire des faisceaux réactionnels. L'invention propose à cet effet un four tubulaire de chauffage par radiation pour la décomposition thermique d'hydrocarbures en présence de vapeur d'eau, comprenant: - une zone de radiation comprenant un faisceau tubulaire à tubes sensiblement verticaux de circulation d'un mélanged'hydrocarbures et de vapeur d'eau, dont au moins un élément de ce faisceau tubulaire est suspendu à sa partie supérieure et soumis à un fluage à des températures supérieures à 800 degrés C, caractérisé en ce que cet élément comprend un tronçon dit inférieur et un tronçon dit supérieur, qui supporte le poids du tronçon inférieur, le tronçon supérieur comprenant des moyens lui conférant une résistance conventionnelle au fluage plus élevée que celle du tronçon inférieur. Ainsi, le four selon l'invention met à profit la différence de contraintes qui sont subies par les différentes parties d'un tube ou d'un élément de réacteur de vapocraquage suspendu à sa partie supérieure : tout tronçon, par exemple d'un tube, se trouvant à une hauteur intermédiaire du tube supporte non pas la totalité du poids du tube mais seulement le poids de la partie du tube située en dessous de lui. II en résulte que les parties de tubes situées à des niveaux inférieurs subissent des contraintes modérées alors que les parties du tube situées à des niveaux supérieurs, ou au point de suspension, subissent des contraintes élevées ou mêmela totalité du poids du tube. L'invention, qui prévoit des moyens pour augmenter la résistance au fluage dans les parties supérieures des tubes réactionnels permet donc de réduire les conséquences et l'importance du fluage dans les parties de tubes qui sont les plus soumises à ce phénomène. Selon l'invention, la résistance conventionnelle au fluage d'un tube (ou d'un élémentde faisceau tubulaire ) est par définition la force qui, appliquée à la section moyenne de ce tube (ou de cet élément de faisceau tubulaire ), c'est à dire à un tronçon élémentaire de même section que la section moyenne du tube ou élément de faisceau tubulaire, produirait, à 1000"C, une rupture de ce tronçon élémentaire en 100 000 heures. Selon cette définition, la résistance conventionnelle au fluage d'un tube ne dépend donc pas de la longueur de ce tube mais elle dépend de sa section moyenne, et donc de son épaisseur ( il faudra appliquer une force plus élevée pour obtenir la rupture en 100 000 heures d'un tube épais que d'un tube mince). La définition, selon l'invention, de la résistance conventionnelle au fluage est donc différente de la notion de contrainte de rupture par fluage, qui ne dépend pas de la section donc de l'épaisseur du tube. La résistance conventionnelle au fluage est en fait égale au produit de la contrainte de rupture par fluage par la section moyenne du tube. Les sections précitées sont les surfaces des sections (métalliques) du tube et ne sont pas les sections libres ou de passage de gaz. Selon une premierevariante caractéristique de l'invention, I'épaisseur moyenne de paroi des tubes du tronçon supérieur est plus grande, d'au moins 1 mm, et de préférence d'au moins 1,5 mm, que celle des tubes du tronçon inférieur. De façon préférée cette épaisseur moyenne de paroi est plus grande d'au moins 2 mm pour les tubes du tronçon supérieur, par exemple plus grande de 2 à 6 mm et plus particulièrement de 2,5 à 6 mm ou de 3 à 5 mm que celle des tubes du tronçon inférieur. De préférence, la section moyenne du tronçon supérieur est plus grande d'au moins 10%, en particulier d'au moins 15%, et de préférence d'au moins 20% que celle du tronçon inférieur. Selon une deuxieme variante caractéristique de l'invention, le tronçon supérieur est en alliage moulé par centrifugation alors que le tronçon inférieur est en alliage extrudé. II est en effet connu de l'homme de l'art que les alliages moulés par centrifugation qui sont utilisés pour les tubes réactionnels des fours ont très généralement un taux de carbone et une résistance au fluage supérieurs à ceux des alliages extrudés. Selon une autre variante caractéristique de l'invention, le tronçon supérieur est en alliage à relativement haute résistance au fluage et relativement faible température limite alors que le tronçon inférieurest en alliage à relativementfaible résistance au fluage et relativement haute température limite. Par exemple, on pourra utiliser pour le tronçon supérieur un alliage à environ 35% de nickel et environ 25% de chrome, tel que l'alliage commercial MANAURITE XM et pour le tronçon inférieur un alliage à environ 45% de nickel et environ 35% de chrome tel que l'alliage commercial MANAURITE XTM ". La résistance conventionnelle au fluage du tronçon supérieur sera de préférence supérieure d'au moins 10%, de préférence d'au moins 15%, et par exemple d'au moins 20% à celle du tronçon inférieur. L'invention peut etre appliquée à tout type d'élément de faisceau tubulaire suspendu, par exemple par un ressort ou un dispositif équivalent, et en particulier à un tube unique vertical, ou à l'ensemle constitué par un tube unique vertical supportant deux tubes verticaux raccordés à son extrémité inférieure. Elle peut également etre appliquée à l'ensemble constitué par deux tubes verticaux supportant un tube unique vertical raccordé à leurs extrémités inférieures. L'invention peut etre appliquée à un four de vapocraquage, notamment pour un élémentdu faisceau tubulaire qui appartient à la dernière passe. Le four, en particulier de vapocraquage, peut comporter un faisceau tubulaire de type monopasse, par exemple à circulation ascendante, ou à circulation descendante. Un four de vapocraquage selon l'invention peut avoir diverses configurations. II peut notamment comporter une zone de radiation comprenant un rétrécissement dans sa partie supérieure, comprenant également une pluralité de réacteurs élémentaires, chacun comprenant un tronçon dit inférieur constitué par deux tubes qui sont raccordés à un tube unique de diamètre supérieur, et de préférence de section de passage supérieure à la section totale de passage des deux tubes précités, ce tube unique constituant un tronçon dit supérieur, le point de raccordementétant dans la partie rétrécie de la zone de radiation. Ce point de raccordement peut etre situé entre deux parois sensiblement verticales de la partie rétrécie de la zone de radiation. Les fours de vapocraquage selon l'invention peuvent avantageusement comporter des tubes ou des éléments du faisceau tubulaire de grande longueur verticale comprise entre 12,2 et 18 m dans la zone de radiation, par exemple de longueur verticale comprise entre 12,5 et 17 m, et notamment entre 13 et 16 m dans la zone de radiation. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - La figure 1 représente schématiquementun four de vapocraquage comprenant un faisceau tubulaire de vapocraquage à tubes suspendus par un point fixe et des contrepoids. - Chacune des figures 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, représente schématiquement une variante de réalisation de réacteurs élémentaires, ou serpentins de vapocraquage. - La figure3A représente un élément de faisceau tubulaire d'un four selon l'invention, constitué par un tube unique vertical suspendu à sa partie supérieure par des moyens non représentés. - La figure 3B représente un élément de faisceau tubulaire d'un four selon l'invention, constitué par un tube unique vertical supportant deux tubes verticaux raccordés à son extrémité inférieure (I' élément de faisceau tubulaire étant constitué par l'ensemble de ces trois tubes ). - La figure4 représente schématiquement un four de vapocraquage selon l'invention, comprenant un faisceau de craquage à une seule passe verticale ascendante. On se réfère tout d'abord à la figure 1, qui représente schématiquement un four de vapocraquage comprenant une zone de radiation 1, chauffée par des brûleurs non représentés, disposés sur la sole et / ou les parois verticales de la zone de radiation. La charge de vapocraquage est d'abord préchauffée dans la zone de convection 3 du four, puis craquée dans un serpentin, ou faisceau de tubes verticaux 5, vu perpendiculairementau plan du faisceau de tubes. La charge craquée sort par la partie supérieure de la zone de radiation et est trempée dans un échangeur de trempe 4, puis traitée en aval par des moyens non représentés. Le tube final (de demière passe verticale dans la zone de radiation) est directement suspendu à l'échangeur de trempe 4. Les quatre passes précédentes sont supportées par deux tiges supports 2 reliées à deux contrepoids 18, qui supportent chacun deux longueurs droites verticales de tubes. Le tube de la première passe peut également etre supporté par des moyens non représentés. Ces tubes, suspendus à leur extrémité supérieure sont soumis au phénomene de fluage à des températures voisines typiquement de 1000 degrés Celcius. Dans les fours conventionnels, I'épaisseur de chacune de ces longueurs droites de tubes est uniforme, et le matériau du tube est uniforme (alors qu'il peut varier d'un tube à l'autre). On se réfère maintenant à la figure 2( 2A,2B,2C,2D,2E), qui représente divers types connus de faisceaux de vapocraquage. La figure 2A représente un faisceau de vapocraquage à 8 passes, c'est-à-dire 8 passes verticales en zone de radiation (la dénomination de cc passe s'appliquant de façon générale à un passage vertical, généralement sur une longueur voisine de la hauteur de la zone de radiation). La figure 2B représente un faisceau ou tube de vapocraquage à une seule passe, typiquement verticale ascendante. La figure 2C représente un faisceau de vapocraquage à deux passes, dont la première comporte deux tubes (faisceau à flux initial divisé ou split-coil , de type 2 en 1). La figure 2D représente un faisceau de vapocraquage à deux passes dont la première comporte plus de deux tubes et la seconde un seul tube. La figure 2E représente un faisceau de vapocraquage à deux passes, du type en U, ou à épingle, et flux non divisé. Ces exemples ne sont pas limitatifs et il existe d'autres types de faisceaux utilisés assez largement, en particulier des faisceaux à quatre passes ou six passes dans la zone de radiation, à flux divisé (par exemple de type 4 en 1, ou N en 1, avec N compris entre 2 et 12, ou de type 4-2-1-1, c'est à dire de type 4 en 2 en 1 en 1) ou non divisé. On se réfère maintenant à la figure 3A, qui représente un élément de faisceau d'un four selon l'invention, constitué par un tube unique vertical. Ce tube comporte un tronçon supérieur 21 de hauteur hl, hachuré, et un tronçon inférieur 22 de hauteur h2, hachuré également. Les hauteurs hl et h2 sont typiquement d'au moins 1 m, de préférence de plusieurs mètres, en particulier d'au moins 2 m Selon un premier mode de réalisation caractéristique, I'épaisseur moyenne de paroi du tronçon 21 est notablement supérieure à celle du tronçon 22. Par exemple, I'épaisseur du tronçon supérieur est plus grande d'au moins 1 mm, de préférence au moins 1,5 mm, les valeurs préférées correspondant à au moins 2 mm, et, par exemple, à une épaisseur augmentée de 2 à 6 mm, sans que ce dernier chiffre constitue une limitation. A titre d'exemple, I'épaisseur moyenne de paroi du tronçon supérieur est de 12 mmalors que celle du tronçon inférieur est de 9 rrni Si l'on considère que l'épaisseur du tronçon supérieur est accrue (pour un diamètre intérieur identique ou accru), il en résulte que la section de ce tronçon est également accrue et que donc sa résistance conventionnelle au fluage et également sa durée de vie sont augmentées par rapport à un tube d'épaisseur uniforme : en effet, le tronçon inférieur a un poids donné, lié à son épaisseur , qui est supporté par un tronçon supérieur de plus grande section, ce qui réduit la contrainte subie par chaque mm2 de section métallique du tronçon supérieur, et donc réduit son fluage et augmente sa durée de vie avant rupture par fluage. En d'autres termes, ce tube épais de 9 mmdans sa partie inférieure et de 12 nm dans sa partie supérieure est beaucoup plus résistant au fluage et a une durée de vie très supérieure à la fois à celle d'un tube d'épaisseur uniforme 9 mm et à celle d'un tube d'épaisseur uniforme 12 mm. Dans ce cas, et pour la plupart des alliages utilisés, la réduction des contraintes dans le tronçon supérieur, qui est le plus sollicité, se traduit par au moins un doublement de sa durée de vie avant rupture par fluage. Comme ce type de tube selon l'invention est très résistant au fluage, il devient possible d'utiliser des longueurs de tube importantes, non conventionnelles, par exemple comprises entre 12,2 et 18 m. II est également possible d'utiliser plus que deux tronçons d'épaisseurs différentes, par exemple trois ou quatre ou dnq tronçons, d'épaisseurs et de sections avantageusement croissantes du bas vers le haut du tube. II est également possible d'utiliser des tubes de section et d'épaisseur évolutive, par exemple d'épaisseur évolutive de façon linéaire, notamment fabriqués par moulage par centrifugation dans des moules légèrement coniques. Selon une autre variante caractéristique, le tronçon inférieur est en alliage extrudé, de préférence comprenant un tube à ailettes internes, alors que le tronçon supérieur est fabriqué par moulage par centnfugation. II est en effet connu de l'hommede l'art que la résistance conventionnelle au fluage d'un alliage moulé par centrifugation, et convenablement choisi dans les alliages performants disponibles, est notablement meilleureque celle d'un alliage extrudé, à plus bas taux de carbone. Un tube, selon l'invention, composé d'un tronçon inférieur représentant entre 50 et 80% de sa hauteur, en alliage extrudé avec des ailettes internes, et d'un tronçon supérieur en alliage moulé par centrifugation à haute résistance au fluage, bénéficie à la fois d'une grande surface d'échange thermique et d'une bonne résistance au fluage, ce qui ne peut etre obtenu avec un tube fabriqué avec un alliage unique, selon l'art antérieur. On peut d'ailleurs combiner les avantages de ces diverses variantes et utiliser un tronçon inférieur 22 en alliage extrudé d'épaisseur moyenne E22 et un tronçon supérieur 21 en alliage moulé par centrifugation, d'épaisseur E21 > E22 par exemple E21 = E22 + 3 mm. On se réfère maintenant à la figure 3B qui représente un autre exemple d'une partie de faisceau d'un four de vapocraquage selon l'invention, comprenant deux tubes qui se rejoignent au point A, à un niveau intermédiaire, pour ne former qu'un seul tube. Dans ce cas, le tronçon inférieur 22 supporté par le tronçon supérieur 21 est constitué par l'ensemble de deux tronçons élémentaires situés au même niveau inférieur. Conformément à l'invention, la section moyenne du tronçon 21 est supérieure à la section totale moyenne des deux tubes du tronçon 22, ou le matériau constitutif du tronçon 21 est notablement plus résistant au fluage que celui du tronçon 22. On se réfère maintenant à la figure 4, qui représente un exemple de réalisation d'un four de vapocraquage selon l'invention. Dans cet exemple, la zone de radiation, de hauteur H, est rétrécie dans sa partie supérieure sur une hauteur L Le faisceau tubulaire est constitué d'une pluralité de tubes 5 verticaux monopasse (dont on n'en voit qu'un seul car ils sont vus par l'extrémité de la nappe de tubes) Selon l'invention, la plus grande partie du tube par exemple de 50 % à 80 % de sa longueur totale H qui est identique à la hauteur de la zone de radiation, fait partie du tronçon inférieur 22. Ce tronçon est avantageusement constitué de 2 tubes élémentaires tels que décrits à la figure 3B. Les deux tubes élémentaires se rejoignent alors au point A, la partie du tube audessus du point A de la figure 4 représentant le tronçon supérieur 21. Le point A est avantageusement situé dans la partie rétrécie de la zone de radiation et notamment entre deux hauteurs de paroi verticales relativement rapprochées. Le tronçon 22 peut avantageusement être en alliage extrudé à surfaces étendues ou ailettes internes alors que le tronçon supérieur 21 sera avantageusement en alliage centrifugé. Les épaisseurs moyennes de paroi sont choisies pour que la résistance conventionnelle au fluage du tronçon 21 soit plus importante d'au moins 15%, et de préférence d'au moins 20% que celle du tronçon 22. On pourra par exemple choisir E22 compris entre 5 et 10 mmet E21 entre 12 et 15 mm avec des diamètres et des sections telles que les conditions requises de résistance conventionnelle au fluage des tronçons 21 et 22 soient respectées. Comme cet élément de faisceau a une excellente résistance conventionnelle au fluage, on peut utiliser des tubes de grande longueur H par exemple comprise entre 12,2 m et 18 m, notamment entre 13 et 16 m, ce qui réduit le coût de fabrication du four. Le four décrit à la figure 4 pourrait, altemativement, comporter des faisceaux tubulaires constitués chacun par un tube unique comprenant un tronçon en alliage extrudé et à ailettes internes, représentant 50 à 80% de la longueur totale du tube, supporté par un tronçon de tube en alliage moulé par centrifugation. L'invention n'est pas limitée aux exemples présentés mais pourra être utilisée également avec d'autres moyens techniques ou variantes de réalisation qui apparaîtront clairement à l'hommede l'art. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant par ailleurs, en association aves l'invention, divers éléments technologiques, ou de procédé, ou de construction ou de dispositifs pour fours ou faisceaux de tubes de four, ou différents types de tubes de four déjà connus de l'hommede l'art. L'invention est applicable à de nombreux types de fours de réformage ou de vapocraquage, et permet de réaliser des fours à zone de radiation de grande hauteur, de capacité accrue et à durée de vie des tubes élevée. REVENDICATIONS 1. Four tubulaire de chauffage par radiation pour la décomposition thermique d'hydrocarbures en présence de vapeur d'eau, comprenant: - une zone de radiation (1) comprenant un faisceau tubulaire à tubes (5) sensiblement verticaux de circulation d'un mélange d'hydrocarbures et de vapeur d'eau, dont au moins un élément de ce faisceau tubulaire est suspendu à sa partie supérieure et soumis à un fluage à des températures supérieures à 800 degrés C, caractérisé en ce que cet élément comprend un tronçon dit inférieur (22) et un tronçon dit supérieur (21), qui supporte le poids du tronçon inférieur, le tronçon supérieur comprenant des moyens lui conférant une résistance conventionnelle au fluage plus élevée que celle du tronçon inférieur. 2. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur moyenne de paroi des tubes du tronçon supérieur (21) est plus grande, d'au moins 1 mm, et en particulier d 'au moins 1,5 mm, que celle des tubes du tronçon inférieur (22). 3. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur moyenne de paroi des tubes du tronçon supérieur (21) est plus grande, d'au moins 1,5 mm, et en particulier d'au moins 2 mm que celle des tubes du tronçon inférieur (22). 4. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur moyenne de paroi des tubes du tronçon supérieur (21) est plus grande, d'au moins 2 mm, et en particulier de 2 à 6 mm que celle des tubes du tronçon inférieur (22). 5. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section moyenne du tronçon supérieur est plus grande d'au moins 10% et en particulierd'au moins 15% que celle du tronçon inférieur. 6. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tronçon supérieur est en alliage moulé par centrifugation et que le tronçon inférieur est en alliage extrudé, en particulier comprenant un tube à ailettes internes. 7. Four selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le tronçon supérieur est en alliage à relativement haute résistance au fluage et relativement faible température limite, alors que le tronçon inférieur est en alliage à relativement faible résistance au fluage et relativement haute température limite. 8. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la résistance conventionnelle au fluage du tronçon supérieur est supérieure d'au moins 10% à celle du tronçon inférieur. 9. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la résistance conventionnelle au fluage du tronçon supérieur est supérieure d'au moins 15% à celle du tronçon inférieur. 10. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élémentdu faisceau tubulaire est constitué par un tube unique vertical. 11. Four selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit élément du faisceau tubulaire est l'ensemble constitué par un tube unique vertical supportant deux tubes verticaux raccordés à son extrémité inférieure. 12. Fourde vapocraquage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément du faisceau tubulaire appartient à la dernière passe. 13. Four de vapocraquage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau tubulaire est de type monopasse à circulation ascendante. 14. Four de vapocraquage selon la revendication 11, dont la zone de radiation comporte un rétrécissement dans sa partie supérieure, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de réacteurs élémentaires, chacun comprenant un tronçon inférieur (22) précité constitué par deux tubes qui sont raccordés à un tube unique de diamètre supérieur constituant un tronçon supérieur (21) précité, le point de raccordement(A) étant dans la partie rétrécie de la zone de radiation. 15. Fourde vapocraquage selon la revendication 14, caractérisé en ce que le point de raccordement (A) est situé entre deux parois sensiblement verticales de la partie rétrécie de la zone de radiation. 16. Fourde vapocraquage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits tubes ou ledit élément du faisceau tubulaire ont une longueur verticale comprise entre 12,2 et 18 m dans la zone de radiation. 17. Four de vapocraquage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits tubes ou ledit élément du faisceau tubulaire ont une longueur verticale comprise entre 13 et 16 m dans la zone de radiation.