Brevet FR2888920A1 — publié le 20070126

La présente invention se rapporte à un procédé de maintenance d'un four de reformage catalytique d'un mélange réactionnel d'hydrocarbures, comprenant au moins un tube de catalyseur, selon lequel on suit la température dudit tube, ainsi qu'à une installation mettant en oeuvre ledit procédé de maintenance. Les hydrocarbures sont une des sources principales de gaz de synthèse. La fabrication de gaz de synthèse consiste à transformer des hydrocarbures CnH,,, en monoxyde de carbone (CO), dioxyde de carbone (CO2) et dihydrogène (H2). Les gaz produits sont ensuite utilisés pour mettre en oeuvre de nombreuses réactions chimiques. Ainsi, le dihydrogène pourra être utilisé notamment pour effectuer des réactions d'hydrogénation ou, après addition d'azote N2, pour produire de l'ammoniac; un mélange de CO, CO2 et H2 pourra quant à lui conduire à la synthèse de méthanol, et le mélange CO et H2 est à la base de synthèses oxo, etc. L'un des procédés les plus utilisés pour réaliser cette transformation est le reformage catalytique de gaz naturel. Dans un tel procédé, le gaz naturel, comprenant principalement du méthane, est mis à réagir avec de la vapeur d'eau en présence d'un catalyseur pour produire du dihydrogène et des oxydes de carbones. Bien que la conversion de CO en CO2 et H2 soit exothermique, la réaction de reformage est globalement endothermique et s'effectue généralement à une température avoisinant 1000 C. Il convient de noter que le gaz naturel doit être préalablement débarrassé des composés soufrés qu'il contient, ceux-ci étant généralement des poisons pour les catalyseurs utilisés. En pratique, la réaction catalytique de reformage d'hydrocarbures par la vapeur d'eau s'effectue sous pression sur le catalyseur contenu dans des tubes chauffés extérieurement par radiation jusqu'à une température d'environ 1000 C, c'est-à-dire dans des fours tubulaires. Ces tubes de catalyseur sont disposés verticalement et la circulation du mélange réactionnel s'effectue du haut vers le bas. Un four de reformage comprend une zone de radiation, chambre de combustion dans laquelle sont disposés les tubes de catalyseur, et une zone de convection par laquelle s'effectue l'évacuation des fumées et gaz de combustion produits dans la chambre de combustion. Les gaz de combustion évacués par la zone de convection sont utilisés pour préchauffer le mélange réactionnel d'hydrocarbures et de vapeur d'eau, et éventuellement d'autres fluides réactionnels, tel que de l'azote dans le cas d'une production d'ammoniac. La zone de convection est généralement installée soit au-dessus de la chambre de combustion, soit verticalement à côté du four, soit horizontalement. Plus précisément, les tubes de catalyseur utilisés sont généralement des tubes centrifugés en acier allié. Le tube doit résister aux pressions et températures élevées mises en oeuvre dans un tel procédé, tout en assurant une bonne transmission de la chaleur au mélange réactionnel qui circule à l'intérieur. En plus de devoir posséder une résistance adaptée aux très hautes températures, ces tubes doivent être réalisés dans un matériau présentant également une très bonne résistance au fluage à de telles températures. Etant donné les cycles de chauffage et hautes températures auxquels sont soumis les tubes de catalyseur, leur vieillissement et leur intégrité doivent être surveillés d'une manière la plus précise et fiable possible. En effet, bien que conçus pour résister à de très hautes températures, les matériaux utilisés pour réaliser ces tubes possèdent une température limite maximale relativement proche des conditions de température auxquelles ils sont soumis, et un rapprochement de cette valeur limite maximale entraîne une diminution importante de la durée de vie des tubes. Par exemple, un fonctionnement constant à 20 C au dessus de la température pour laquelle les tubes ont été conçus, typiquement 1000 C, divise par deux la durée de vie des tubes, la faisant passer d'une dizaine d'années à environ cinq ans. Ce problème revêt une importance toute particulière lors de phases de démarrage ou de changement de la composition du mélange réactionnel. La surveillance et l'historique des températures auxquelles sont soumises les tubes sont donc un aspect crucial du procédé de reformage catalytique d'hydrocarbures. Actuellement, des mesures de la température des tubes sont réalisées par mesures pyrométriques de manière discontinue. Des mesures peuvent également être effectuées en utilisant des thermocouples. De telles mesures sont localisées et ponctuelles, et ne permettent pas de connaître les écarts de températures auxquels les tubes de catalyseur sont soumis. Par ailleurs, les mesures pyrométriques s'effectuent par l'intermédiaire d'un trou de regard ouvert par un opérateur, ce qui modifie la température à l'intérieur du four au niveau du trou de regard. Un des risques principaux découlant de cette absence de données précises est la rupture intempestive d'un ou plusieurs tubes de catalyseurs en cours de fonctionnement, ce qui implique l'arrêt de l'installation en dehors de plages de maintenance prédéfinies. De plus, lors de phases transitoires telles qu'un redémarrage suite à un arrêt de maintenance ou un changement de la composition du mélange réactionnel, il existe toujours le risque qu'une surchauffe ne soit pas détectée et corrigée immédiatement, la durée de vie des tubes de catalyseurs pouvant être alors réduite de manière significative. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients précédemment évoqués et consiste pour cela en un procédé de maintenance d'un four de reformage catalytique d'un mélange réactionnel d'hydrocarbures, comprenant au moins un tube de catalyseur, selon lequel on suit la température dudit tube, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes, à savoir: équiper au moins un tube de catalyseur avec au moins un capteur de température, - relier chaque capteur de température à un système d'acquisition de données, - enregistrer en continu l'évolution de la température mesurée par chaque capteur de température durant toute l'utilisation du four, - convertir les mesures de température enregistrées en une durée de vie restante pour chaque tube de catalyseur suivi, en vue d'en planifier le remplacement. Ainsi, l'enregistrement en continu de données de température des tubes permet de disposer d'un historique précis des températures sur une grande période de temps pour chaque tube de catalyseur équipé d'un capteur de température. De cette manière, les éventuels dépassements de température et points chauds peuvent être surveillés et enregistrés afin d'estimer leur impact sur l'intégrité des tubes de catalyseur. Un tel historique des températures permet de calculer une estimation des durées de vie restantes de chaque tube de catalyseur équipé et ainsi d'anticiper le remplacement des tubes au cours d'un arrêt de maintenance selon les dépassements de température qui ont été observés tout au long de l'utilisation du four. Ceci permet de réduire de manière importante les risques de rupture des tubes en cours de fonctionnement et d'augmenter leur durée de vie. Une acquisition des données de température en continu permet également de surveiller la température de manière précise lors de phases transitoires telles qu'un redémarrage ou un changement de la composition du mélange réactionnel. Ainsi, la réactivité des opérateurs en cas de surchauffe s'en trouve grandement accrue et des mesures immédiates peuvent être prises pour corriger cette surchauffe. Par ailleurs, il convient de noter que les capteurs de température sont intégrés dans les tubes de catalyseurs en permanence et que les mesures de température ne requièrent donc pas d'intervention d'un opérateur à la différence de mesures pyrométriques. Les perturbations de température provoquées par l'ouverture d'un trou de regard par un opérateur sont évitées ainsi que les risques encourus par l'opérateur lors d'une telle mesure. Avantageusement, le procédé de contrôle comprend une étape supplémentaire visant à obtenir une valeur de la température maximale du tube de catalyseur et/ou une valeur d'une température de peau du tube de catalyseur à partir d'une mesure de température. Des valeurs de la température de peau du tube et de la température maximale du tube peuvent être obtenues à partir de la température mesurée à l'aide de corrélations établies en fonction de la position du capteur de température. De manière avantageuse, au moins un capteur de température est fixé en partie aval du tube de catalyseur par rapport au sens de circulation du mélange réactionnel. En effet, c'est en aval du tube de catalyseur que la température est la plus élevée. De cette manière, la température mesurée est sensiblement égale à la température maximale du tube de catalyseur. Préférentiellement, les mesures de température sont effectuées par au moins un thermocouple. Préférentiellement encore, l'acquisition et l'enregistrement des mesures de température sont effectuées par l'intermédiaire d'un système de type SCADA ( Supervisory Control And Data Acquisition ). Un tel système permet la gestion d'un grand nombre de source de données et l'enregistrement en temps réel de ces données. La présente invention se rapporte également à une installation comprenant au moins un four destiné au reformage catalytique d'un mélange réactionnel d'hydrocarbures circulant dans au moins un tube de catalyseur, caractérisée en ce qu'elle comprend un système d'acquisition de données apte à enregistrer en continu des mesures de température obtenues par au moins un capteur de température équipant au moins un tube de catalyseur, et un système de calcul apte à convertir les mesures de température enregistrées en une durée de vie restante pour chaque tube de catalyseur suivi, en vue d'en planifier le remplacement. Avantageusement, au moins un capteur de température est un thermocouple disposé en partie aval du tube de catalyseur par rapport à l'écoulement du mélange réactionnel. Avantageusement encore, le système d'acquisition de données est un système de type SCADA. Préférentiellement, le système d'acquisition de données est apte à enregistrer des mesures de températures en continu sur une durée d'environ dix ans. La durée de vie théorique pour laquelle les tubes de catalyseur sont conçus étant d'environ dix ans, une telle capacité de mémoire permet d'avoir un historique complet des tubes de catalyseur. La mise en oeuvre de l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui est exposée ci-dessous en regard du dessin annexé dans lequel: La figure 1 est une représentation schématique partielle d'un four d'une installation de reformage catalytique d'hydrocarbures selon l'invention. La figure 2 est une représentation schématique partielle de la chambre de combustion du four représenté à la figure 1. La figure 3 est une représentation schématique partielle d'un tube de catalyseur disposé à l'intérieur de la chambre de combustion du four de la figure 1. La figure 4 est une vue partielle de face d'un tube de catalyseur équipé d'un capteur de température. Un four 1 de reformage catalytique selon l'invention, tel que représenté sur la figure 1, comprend une chambre de combustion 3 équipée de brûleurs 4 reliés à une alimentation en carburant 5 et à une alimentation en comburant 5b, et une chambre de convection 6 destinée à l'évacuation des gaz et fumées générés par les brûleurs 4. Plus précisément, les brûleurs 4 sont destinés à chauffer des tubes de catalyseur 7 traversant verticalement la chambre de combustion 3, comme représenté sur les figures 1 à 3. Chaque tube de catalyseur 7 présente, d'une part, une première extrémité 8 située en haut par laquelle est introduit un mélange réactionnel comprenant des hydrocarbures et de la vapeur d'eau, et d'autre part, une deuxième extrémité 9 située en bas raccordée à un collecteur 10 des produits de la réaction de reformage catalytique. Le mélange réactionnel est introduit dans le tube de catalyseur 7 par une alimentation 11 conçue de manière à faire circuler préalablement le mélange réactionnel dans la chambre de convection 6 afin de le préchauffer à l'aide des gaz et fumées évacuées. Plus précisément, l'alimentation 11 en mélange réactionnel provient d'une sortie 12 d'une unité de désulfuration d'hydrocarbures dans laquelle est injectée de la vapeur d'eau provenant d'une conduite 13. Accessoirement, la sortie 12 d'hydrocarbures désulfurés peut être complétée par une injection 14 en 002 provenant d'une autre unité produisant du 002, afin de recycler ce dernier. Comme représenté sur les figures 2 à 4, au moins certains tubes de catalyseur 7 sont équipés chacun d'un thermocouple 15, ce dernier étant fixé au niveau de la deuxième extrémité 9 du tube de catalyseur 7, c'està-dire au pied de celui-ci. Comme montré sur la figure 4, chaque thermocouple 15 est logé dans un boîtier de protection thermique 16 afin de le protéger de la chaleur directe des brûleurs 4, et est relié par un câble 17 à un système (non représenté) externe d'acquisition et d'enregistrement de données. Le système d'acquisition et d'enregistrement de données est un système de type SCADA permettant un traitement des données en temps réel. Plus précisément, les thermocouples 15 sont fixés dans des tubes de catalyseurs 7 sélectionnés pour être représentatifs d'un profil de température dans le four 1. Bien évidemment, chaque tube de catalyseur 7 peut être équipé d'un thermocouple 15 qui lui est propre. En fonctionnement, les brûleurs 4 chauffent les tubes de catalyseurs 7 dans lesquels circule le mélange réactionnel. Typiquement, les tubes sont chauffés à une température intérieure avoisinant les 600 C au niveau de la première extrémité 8 haute et à une température intérieure avoisinant les 950 C au niveau de la deuxième extrémité 9 basse. Les températures mesurées par chaque thermocouple 15 sont transmises au système d'acquisition et d'enregistrement de données par lequel elles sont tout d'abord converties en des valeurs de températures de peau des tubes de catalyseurs 7 et/ou des valeurs de températures maximales pour chaque tube de catalyseur 7 équipé d'un thermocouple 15. Ces valeurs de températures de peau et/ou de températures maximales sont obtenues à partir de corrélations mathématiques appliquées aux températures mesurées. Les thermocouples 15 étant de préférence fixés au niveau de la deuxième extrémité 9 des tubes de catalyseur 7, les températures mesurées sont très proches des températures maximales des tubes de catalyseurs 7. Les données de températures ainsi obtenues sont enregistrées en temps réel par le système d'acquisition et d'enregistrement. Une estimation de la durée de vie restante des tubes de catalyseur 7 peut être calculée à partir des données de température ainsi enregistrées. Le calcul de cette durée de vie restante utilise la relation de Larson Miller, une des lois les plus utilisées pour décrire le temps à la rupture. Pour une étude détaillée de la rupture en température et un exemple de calcul de durée de vie en fonction de la température, on pourra se reporter à l'article Journal of Corrosion Science and Engineering, Volume 6 Paper H012 disponible à l'adresse suivante http://www2.umist.ac.uk/corrosion/JCSE/Volume6/Default.html. Plus précisément, pour chaque tube de catalyseur 7, on calcule pour chaque température enregistrée par le thermocouple 15 associé, une durée de vie maximale du tube de catalyseur 7 à cette température à l'aide du paramètre de température de Larson Miller, calculé en fonction des propriétés thermiques des tubes de catalyseur 7. En fonction de la durée pendant laquelle le tube de catalyseur 7 est resté à cette température, on calcule une durée équivalente d'utilisation en rapportant la durée de vie maximale précédemment calculée à la durée de vie pour laquelle le tube de catalyseur a été conçu. La somme de ces durées équivalentes d'utilisation obtenues au cours du temps est déduite de la durée de vie théorique pour laquelle le tube de catalyseur est conçu. Lorsque la durée de vie restante estimée devient inférieure à la période de temps séparant deux arrêts de maintenance, il est convenu de programmer le remplacement du tube de catalyseur 7 lors du prochain arrêt de maintenance. Par exemple, pour un tube de catalyseur 7 conçu pour une avoir une durée de vie de 100000 heures à 1000 C et possédant un paramètre de température de Larson-Miller égal à 35,2058; le calcul de la durée de vie restante s'effectue de la façon suivante: Si, par exemple, le tube de catalyseur 7 a été soumis à une température de 956 C pendant 1000 heures, la durée de vie maximum à cette température est de 481277 heures, soit plus de quatre fois la durée de vie de conception, ou nominale. Par conséquent, 1000 heures à 956 C équivalent à 208 heures de fonctionnement à 1000 C en terme de vieillissement du tube de catalyseur 7. Après ces 1000 heures, la durée de vie restante du tube de catalyseur est donc de 99792 heures. Ces calculs sont répétés pour chaque mesure de température, et chaque durée de vie équivalente ainsi calculée est retranchée à la durée de vie restante. Lorsque cette durée de vie restante calculée devient inférieure à la période de temps séparant deux arrêts de maintenance, le remplacement du tube de catalyseur 7 est programmé pour le prochain arrêt de maintenance. Ainsi, il est aisé d'identifier les tubes de catalyseur 7 possédant une durée de vie restante faible et de programmer leur changement lors d'un arrêt de maintenance du four 1. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des exemples particuliers de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de maintenance d'un four (1) de reformage catalytique d'un mélange réactionnel d'hydrocarbures, comprenant au moins un tube de catalyseur (7), selon lequel on suit la température dudit tube, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes, à savoir: - équiper au moins un tube de catalyseur avec au moins un capteur de température (15), - relier chaque capteur de température à un système d'acquisition de données, - enregistrer en continu l'évolution de la température mesurée par chaque capteur de température durant toute l'utilisation du four, -convertir les mesures de température enregistrées en une durée de vie restante pour chaque tube de catalyseur suivi, en vue d'en planifier le remplacement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire visant à obtenir une valeur de la température maximale du tube de catalyseur (7) et/ou une valeur d'une température de peau du tube de catalyseur à partir d'une mesure de température. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins un capteur de température (15) est fixé en partie aval du tube de catalyseur (7) par rapport au sens de circulation du mélange réactionnel. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les mesures de température sont effectuées par au moins un thermocouple (15). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'acquisition et l'enregistrement des mesures de température sont effectuées par l'intermédiaire d'un système de type SCADA. 6. Installation comprenant au moins un four (1) destiné au reformage catalytique d'un mélange réactionnel d'hydrocarbures circulant dans au moins un tube de catalyseur (7), caractérisée en ce qu'elle comprend un système d'acquisition de données apte à enregistrer en continu des mesures de température obtenues par au moins un capteur de température (15) équipant au moins un tube de catalyseur, et un système de calcul apte à convertir les mesures de température enregistrées en une durée de vie restante pour chaque tube de catalyseur suivi, en vue d'en planifier le remplacement. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le capteur de température est un thermocouple (15) disposé en partie aval du tube de catalyseur (7) par rapport à l'écoulement du mélange réactionnel. 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que le système d'acquisition de données est un système de type SCADA. 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que le système d'acquisition de données est apte à enregistrer des mesures de températures en continu sur une durée d'environ dix ans.