Brevet FR2760467A1 — publié le 19980911

FOUR TUBULAIRE À RADIATION A DEFLECTEURS DE FLAMME. 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 permettant de réaliser la 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 1 200"C. 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'agencementde ce type de fours consiste à transférer aux tubes un flux thermique très élevé sans pour autant provoquer de points chauds excessifs qui provoqueraient de graves phénomènes de cokage, une détérioration ou une destruction rapide des tubes notamment par rupture par fluage. A cet effet de nombreux constructeurs de fours utilisent des murs radiants équipés d'un grand nombre de brûleurs radiants à flamme plate répartis de façon sensiblement uniforme sur les parois verticales de l'enceinte de radiation Ceci assure une grande homogénéité du transfert thermique radiatif. De plus, les brûleurs radiants émettent des gaz de combustion ou flammes plates qui ne peuvent atteindre les tubes. Cette solution technique, performante au niveau du transfert thermique, est cependant plus onéreuse que d'autres conceptions de fours utilisant un nombre de brûleurs beaucoup plus faible, généralement des brûleurs verticaux de forte capacité unitaire. Cet inconvénient d'une conception à grand nombre de brûleurs de paroi est accru dans le cas où, pour une meilleure efficacité thermique, on préchauffe l'air de combustion, ou que l'on utilise de l'air partiellement brûlé de sortie d'une turbine à gaz. Dans ce cas on doit alimenter par des gaines d'air chaud un grand nombre de brûleurs, ce qui est complexe et onéreux. Les conceptions de four à nombre limitéde brûleurs verticaux, situés sur la sole ou la voûte du four, ou également à un niveau médian dans le cas des fours à terrasses, ne présentent pas cet inconvénient ou de façon moindre pour les fours à terrasse. Par contre, les flammes émises par de gros brûleurs verticaux conduisent à une émission thermique radiative beaucoup moins homogène que celle de parois à brûleurs radiants. II en résulte des risques accrus de fluage, de détérioration de tubes et de cokage, qui conduisent dans la pratique à l'utilisation d'un flux thermique moyen plus faible afin de limiterles points chauds. L'objet de l'invention est un four tubulaire à radiation combinant les avantages des deux conceptions précédentes, sans en avoir les inconvénients: - utilisation de brûleurs verticaux à débit unitaire élevé, avec avantage de coût et de simplicité, - obtention d'une puissance thermique rayonnée par les flammes des brûleurs verticaux plus uniforme avec réduction des risques de points chauds, et possibilité d'accroitrele flux thermique moyen et la capacité du four. 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 au moins une nappe de tubes verticaux de circulation d'un mélanged'hydrocarbures et de vapeur d'eau, - au moins une paroi radiante en vis à vis de cette nappe de tubes, - au moins une rangée de brûleurs d'axes sensiblement verticaux émettant des flux de gaz de combustion dans l'espace situé entre la paroi et la nappe de tubes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour réduire la température de la dite paroi dans la zone correspondant à l'émission thermique maximale des gaz de combustion, ces moyens éloignantlocalementles flux de gaz de combustion de la dite paroi dans la zone précitée de oelle-d. Cette caractéristique de l'invention présente des avantages importants: en effet dans la conception conventionnelle des brûleurs verticaux, la flamme se développe le long de la paroi, verticale ou inclinée, avec de fortes vitesses de circulation des gaz de combustion le long de cette paroi. II y a typiquement un développement ou épanouissement latéral de la flamme, en particulier dans la zone de rayonnement thermique maximal. La flammevient donc lécher la paroi dans la zone d'émission radiative maximale, ce qui a pour effet de rajouter à cette puissance radiative maximale des gaz de combustion une puissance radiative supplémentaire résultant de l'échange thermique par convection, localement intense, entre la flamme et la paroi, cette paroi réémettant de l'énergie vers les tubes. Ceci augmente le pic de flux thermique reçu par les tubes à ce niveau et aggrave les problèmes de nonuniformité de la puissance thermique transmise. Au contraire, selon l'invention, on évite le contact et le transfert convectif entre la paroi et la flamme dans la zone où celle-ci est la plus chaude. Ceci conduit à ce que s'établisse le long de la paroi une recirculation de gaz de combustion plus froids car ils ont déjà rayonné une part importante de leur énergie thermique. De plus, les recirculations sont très généralement à vitesse plus faible que la flammeelle-même, ce qui limite le transfert convectif avec la paroi. Ainsi, selon l'invention, le pic de puissance thermique maximale est réduit, ce qui conduit à augmenter le transfert thermique dans d'autres zones et augmente l'uniformité de la puissance thermique transmise dans les différentes parties de la zone de radiation. Selon une première disposition caractéristique, les moyens pour éloigner la flamme de la paroi sont formés par, ou comprennent au moins une discontinuité dans les surfaces de paroi le long desquelles s'écoulent les flux de gaz de combustion émis par les bruleurs. Ces moyens pour éloigner la flamme de la paroi comprennent, par exemple, un décrochementau niveau de la paroi, pour permettre le décollement de l'écoulement des gaz de combustion en amont de la zone d'émission thermique maximale. Ils peuvent égalementetre constitués par, ou comprendre au moins un corps allongé séparé de la paroi radiante et s'étendant dans une zone comprise entre le niveau des bruleurs et le niveau de la zone d'émission thermique maximale (sur une partie seulement de cette zone, de préférence). Ces moyens comprennent avantageusement une surépaisseur locale de la paroi de la zone de radiation, en particulier avec une extrémité avec une discontinuité, c'est à dire un changement de pente relativement brutal ( suffisamment pour faire décoller l'écoulement des gaz de combustion ). Selon une variante caractéristique, les moyens comprennent un déflecteurdes gaz de combustion émis par les bruleurs. Ce déflecteur comprend avantageusement une partie sensiblement plane faisant un angle compris entre 2 et 30 degrés, et de préférence entre 3 et 20 degrés par rapport à la direction des axes d'émission des bruleurs. Cette partie sensiblement plane du déflecteur peut par ailleurs faire un angle compris entre 2 et 20 degrés, et de préférence entre 2 et 15 degrés par rapport à la verticale. Avantageusement, cet angle n'excède pas 6 degrés et permet de redresser sensiblement l'écoulement des gaz de combustion émis par les bruleurs, lorsque celui-ci n'est pas strictement vertical. Les axes d'émission des dits brûleurs peuvent en effet etre strictement verticaux mais peuvent égalementfaire un angle, par rapport à la verticale, notamment dans une direction qui éloigne les flux de gaz de combustion de la nappe de tubes. Selon une disposition caractéristique préférée, lorsque les brûleurs chauffent la paroi radiante sur une partie de cette paroi de hauteur H, les moyens pour éloigner les flux de gaz de combustion de la paroi radiante sont disposés dans la première moitié amont de cette partie de paroi de hauteur H, dans le sens de l'écoulement des gaz de combustion. Divers types de fours peuvent etre utilisés selon l'invention. Par exemple, non limitatif, le four peut comprendre une nappe de tubes unique. II peut également comprendre au moins deux nappes de tubes verticaux et au moins trois rangées de brûleurs sensiblement verticaux, dont l'une au moins émet des flux de gaz de combustion entre les deux nappes de tubes. L'invention présente un intérêt supplémentaire pour ce type de four: en effet, L'émission thermique plus uniforme, selon l'invention, des zones comprises entre une rangée de tubes et une paroi, devient très proche de l'émission thermique produite par les brûleurs disposés entre les deux nappes de tubes, dont les gaz de combustion ne sont pas en contact avec une paroi radiante. Ceci permet d'obtenir un flux thermique voisin des deux côtés de chaque nappe de tubes et d'éviter leur déformation. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails et avantages apparaîtront plus clairementà la lecture due la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins, annexés dans lesquels: -Chacune des figures (1A, 1 B, 1 C, 1 D, 1E) représente schématiquement une variante de réalisation d'un four de vapocraquage, -Chacune des figures2A, 2B, 2C, 2D, 2E, représente schématiquement une variante de réalisation de réacteurs élémentaires, ou serpentins de vapocraquage. Une nappe de tubes est constituée d'une pluralité de tels réacteurs élémentaires, ou d'autres configurations non représentées de réacteurs élémentaires. -La figure 3 représente une partie d'un four de vapocraquage selon l'art antérieur du type décrit à la figure 1C, dans lequel on a représenté de façon indicative des lignes de courant des gaz de combustion. -La figure 4 représente un four de même type, conforme à l'invention. -Les figures 5A, 5B, 5C représentent des modes de réalisation de parties de fours conformes à l'invention. -Les figures 6A et 6B représentent des parties de fours à 2 nappes de tubes, conformes à l'invention. -La figure 7 représente un profil de flux thermique dans un four du type décrit à la figure lC, selon l'artantérieur. - La figure 8 représente un profil de flux thermique dans un four de même type, selon l'invention. On se reporte tout d'abord à la figure 1 A, qui représente un four de vapocraquage d'un type très courant: il comporte une zone de radiation 1, chauffée d'une part par deux rangées de brûleurs verticaux 6, disposés sur la sole du four, et d'autre part par dix rangées ( 2 fois 5 ) de brûleurs radiants 7 disposés sur les parois verticales de la zone de radiation. Les brûleurs verticaux 6, de capacité moyenne, émettent des flammes qui se développent verticalement dans la partie inférieure de la zone de radiation, alors que les brûleurs radiants 7 chauffent les parois dans les parties médiane et supérieure au moyen de flammes plates. La charge de vapocraquage est d'abord préchauffée dans la zone de convection 3 du four, puis craquée dans une nappe de tubes verticaux 5, vue par le travers. 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. La figure 1B représente avec les mêmes références un autre type de four, dit four à terrasses où il n'y a pas de brûleurs radiants mais quatre rangées de brûleurs verticaux situés à deux niveaux du four, généralement sur la sole et en position médiane. Dans ce type de four, où les parois peuvent être inclinées, il y a développement de la flamme de chaque rangée de brûleurs en vis à vis de la demi-paroi correspondante. La figure 1 C représente un type de four, utilisé en particulier avec un faisceau de tubes à une seule passe verticale ascendante, qui ne comporte que des brûleurs de sole 6 de forte capacité unitaire, et à longue flamme La figure 1 D représente une conception de four intermédiaire entre les conceptions décrites en 1 A et 1 C, où des brûleurs verticaux 6 ( principaux ) à longue flamme sont utilisés en association avec un nombre limité de brûleurs radiants 7, ce qui permet d'accroître la hauteur de la zone de radiation. Le four décrit dans la figure 1 E, et représenté partiellement, comporte deux rangées de tubes verticaux et trois rangées de brûleurs verticaux 6, qui sont des brûleurs de voute, ou de toit. Ce type de four est utilisé, notamment, dans certains procédés de vaporéformage. On se réfère maintenant à la figure 2A, qui représente un faisceau de craquage très courant. Ce faisceau comprend 8 passes (c'est-à-dire 8 passes verticales en zone de radiation). La figure 28 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 (la dénomination de passe s'appliquant de façon générale à un passage vertical, généralement sur une longueur de 8 à 13 m environ, en zone de radiation). Ces exemples ne sont pas limitatifs et il existe d'autres types de faisceaux utilisés assez largement, en particulier des faisceaux à deux ou quatre passes ou six passes ou huit passes dans la zone de radiation, à flux divisé (split-coil), 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 à flux non divisé. On se réfère maintenant à la figure 3 de l'art antérieur, où des lignes de courant des gaz de combustion sont indiquées sur la moitié gauche de la figure. Les flammes émises par les gros brûleurs verticaux 6 à longue flamme installés sur la sole du four se développement verticalement avec un épanouissement latéral. Au niveau du flux thermique maximal, voisin du "ventre" de la flamme, les gaz de combustion à température maximale et vitesse élevée viennent lécher la paroi dans la zone du point A ( niveau du flux maximal) de chacune des parois de la zone de radiation. A ce niveau du four, il y a rayonnement intense de la flamme mais il y a aussi, de façon supplémentaire, un échange convectif très important avec la paroi verticale réfractaire du fait de la conjonction entre des vitesses élevées et des températures élevées des gaz de combustion. Par conséquent, la paroi réfractaire se trouve portée à très haute température, ce qui augmente le flux thermique radiatif à ce niveau local dans le four. Le flux thermique global reçu par le faisceau de tubes 5 au même niveau que le point A a donc un pic prononcé qui conduit à des risques accrus de cokage ou de détérioration de tubes, ou à la nécessité de réduire le flux moyen pour retrouver une marge de sécurité sur le plan thermique. On se réfère maintenant à la figure 4, conforme à l'invention, qui comporte les mêmes éléments techniques que ceux de la figure 3, avec en plus un corps allongé 10, typiquement en matériaux réfractaires, comportant au point B un décrochement brusque provoquant un décollement de l'écoulement des gaz de combustion directementémis par les brûleurs 6. Le corps 10 peut être un panneau réfractaire unique (en réfractairedense ou non dense ou fibreux), ou bien peut être composé de plusieurs éléments séparés, non jointifs, par exemple un élément pour chacun des brûleurs de sole 6, notammentde longueur voisine ou identique à celle du brûleur correspondant. En variante, le corps 10 pourrait être une épaisseur locale supplémentaire de la paroi du four, qui serait alors similaire à un four à terrasse, mais sans brûleurs dans la partie médiane, au niveau du décrochementde la paroi. Sur la partie de droite de la figure 4, on a prolongé le plan légèrement incliné du corps 10, ce qui donne une intersection avec la voute du four au point C, qui se trouve plus proche du plan de la nappe de tubes 5 que de celui de la paroi verticale (celle où se trouve le point A) de la zone de radiation. Ceci conduit à intensifier les turbulences et recirculations à proximité de la partie supérieure de la nappe de tubes, ce qui augmente le transfert thermique dans la partie supérieure du four. Au contraire, dans la partie médiane voisine du point A, les flux de gaz de combustion (ou flammes) émis par les brûleurs sont éloignés de la paroi du fait du décrochement au niveau du point B, qui provoque le décollement de l'écoulement gazeux. Ce décollement de l'écoulement provoque une recirculation de courants gazeux provenant de la partie supérieure du four, et qui sont donc beaucoup plus froids que la flamme principale émise par les brûleurs. La paroi est donc léchée par des courants de gaz de combustion notablement refroidis, et de plus typiquement à vitesse plus faible que celle de la flamme. L'échange convectif est donc beaucoup plus faible avec la paroi, ce qui réduit le pic d'émission thermique global. Ainsi, selon l'invention, le maximum d'émission thermique est réduit dans la partie médiane du four, et l'échange thermique est accru dans la partie supérieure. Le profil thermique général est donc notablement plus plat, ce qui est un avantage très important. Cela permet de limiter les risques de points chauds et de cokage et/ou d'augmenter le flux thermique global, et donc les performances et la capacité du four (par exemple d'un pourcentage que l'on peut estimerà 2 à 10% environ). On se réfère maintenantàux figures 5A, 58 et 5C, qui représentent trois variantes de réalisation des moyens de l'invention. La figure 5A représente partiellement un exemple de réalisation de l'invention avec des brûleurs 6 émettant verticalement. La paroi du four comporte une discontinuité, qui est un décrochement de la paroi 9. Cette paroi a donc une épaisseur supplémentaire locale 10, dont la surface reste verticale. A la figure 5B, les brûleurs émettent des flammes avec un angle, a, faible par rapport à la verticale, qui tend à éloigner les flux de gaz de combustion de la nappe de tubes 5, et l'épaisseur supplémentaire locale 10 de la paroi dévie et redresse les flammes émises par le bruleur 6. Ceci a pour effet de rendre plus plates ces flammes et de diminuer les risques de contact des flammes avec les tubes. Cela accélère par ailleurs les gaz de combustion, ce qui intensifie les échanges thermiques dans la partie supérieure du four et permet également d'utiliser une zone de radiation de plus grande hauteur. Cette épaisseur supplémentaire locale 10 de la paroi constitue donc un déflecteur pour les flux de gaz de combustion émis par les bruleurs. Dans la figure 5C, le déflecteur est un corps 1 1 séparé de la paroi, et maintenu en position par des moyens non représentés. II comporte une partie plane faisant un angle faible avec la verticale, qui redresse les gaz de combustion. Dans la figure 6A, le four comporte deux nappes de tubes 5 et il y a trois zones de chauffe avec deux parois radiantes. Le four comprend, selon l'invention deux épaisseurs locales supplémentaires10 de paroi qui rendent le flux thermique dans ces deux zones à la fois plus plat et également plus proche de celui de la zone de chauffe centrale sans paroi, ce qui est très utile pour éviter la déformation des tubes 5. Dans la figure 6B, le four est également à trois zones, mais les zones sont chauffées par des brûleurs de sole. Des exemples de profils de flux thermiques sont indiqués à la figure 7 et à la figure 8, avec en abscisse le flux thermique F reçu par les tubes en pourcentage du flux thermique maximal, et en ordonnée le niveau d'élévation H dans le four. La figure 7 illustre un profil de flux thermique type de l'art antérieur, et la figure 8 un profil selon l'invention. Du fait que, conformément à l'invention, les gaz de combustion sont éloignés de la paroi au niveau du pic thermique voisin du ventre de la flamme, ils ne chauffent pas directement par convection la paroi dans cette zone. Par conséquent la paroi n'est pas aussi chaude que si elle était léchée directement par les flammes et le pic thermique est atténué. En conséquence, le profil thermique est plus plat avec l'invention. L'invention permet donc, dans des fours de vapocraquage ou de vaporéformage à une, deux, ou plusieurs nappes de tubes, d'homogénéiser le flux thermique dans la zone de radiation, et ce grâce à des moyens techniques simples et peu onéreux. Elle est particulièrement utile pour les fours classiques ou à terrasses utilisant des brûleurs à longue flamme, de haute capacité, très économiques notamment en conjonction avec un préchauffage d'air de combustion ou l'utilisation de gaz de sortie de turbine à gaz. Dans un four de vapocraquage à bruleurs verticaux à longue flamme, elle permet de limiter les risques de points chauds et de cokage, et de pouvoir augmenter le flux moyen, la hauteur de la zone de radiation, et donc la capacité du four. 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 dispositifs pour fours ou faisceaux de tubes de four ou parois de four ou divers types de matériauxréfractairesou bruleurs, déjà connus de l'homme de l'art. 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 au moins une nappe de tubes (5) verticaux de circulation d'un mélange d'hydrocarbures et de vapeur d'eau, - au moins une paroi radiante (9) en vis à vis de cette nappe de tubes, - au moins une rangée de brûleurs (6) d'axes sensiblement verticaux émettant des flux de gaz de combustion dans l'espace situé entre la paroi et la nappe de tubes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (10,11) pour réduire la température de ladite paroi dans la zone correspondant à l'émission thermique maximale des gaz de combustion, ces moyens éloignant localement les flux de gaz de combustion de ladite paroi dans la zone précitée de celle-ci. 2. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dits moyens comprennent au moins une discontinuité dans les surfaces de paroi le long desquelles s'écoulent les flux de gaz de combustion émis par les bruleurs. 3. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dits moyens comprennent au moins un décrochement au niveau de la paroi radiante, pour provoquer le décollement de l'écoulement des gaz de combustion en amont de la zone d'émission thermique maximale. 4. Four selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les dits moyens comprennent un corps allongé (11) séparé de la paroi radiante et s'étendant dans une partie de la zone comprise entre le niveau des bru leurs et le niveau de ladite zone d'émission thermique maximale. 5. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dits moyens comprennent un déflecteur des gaz de combustion émis par les brûleurs. 6. Four selon la revendication 5, caractériséen ce que le déflecteur comprend une partie sensiblement plane faisant un angle compris entre 2 et 30 degrés, et de préférence entre 3 et 20 degrés par rapport à la direction des axes d'émission des bruleurs. 7. Four selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le déflecteur comprend une partie sensiblement plane faisant un angle compris entre 2 et 20 degrés, et de préférence entre 2 et 15 degrés par rapport à la verticale. 8. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les axes d'émission desdits brûleurs font un angle, par rapport à la verticale, dans une direction qui éloigne de la nappe de tubes les flux de gaz de combustion qui sont émis. 9. Four selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un déflecteur à surface sensiblement plane, d'angle par rapport à la verticale n'excedant pas 6 degrés, pour sensiblement redresser l'écoulement des flux de gaz de combustion émis par les bruleurs. 10. Four selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits brûleurs chauffent la paroi radiante sur une partie de cette paroi de hauteur H, caractérisée en ce que les moyens pour éloigner les flux de gaz de combustion de la paroi radiante sont disposés dans la première moitié amont de cette partie de paroi de hauteur H, dans le sens de l'écoulementdes gaz de combustion. 11. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux nappes de tubes verticaux et au moins trois rangées de brûleurs sensiblement verticaux, dont l'une au moins émet des flux de gaz de combustion entre les deux nappes de tubes.