Brevet FR3027381A1 — publié le 20160422

L'invention est relative à un four de vaporeformage pour la production d'hydrogène comprenant une pluralité de tubes de reformage. L'objectif est d'augmenter le transfert de chaleur totale absorbée par les tubes de reformage chauffés par rayonnement et convection, et en particulier dans la partie supérieure du four de vaporeformage. Dans ces fours de vaporeformage, le reformage du méthane est réalisé par de la vapeur d'eau à des températures élevées (900-980°C) et des pressions comprises entre 10 et 40 bars dans des tubes de reformage remplis de catalyseur au nickel supporté sur alumine. La réaction de décomposition du méthane est endothermique et a besoin d'une source de chaleur externe pour être amorcée. Pour cette raison la réaction a généralement lieu à l'intérieur d'une chambre de combustion équipée de brûleurs en tant que systèmes de chauffage. Ces conditions opératoires imposent des exigences concernant le tube ; en effet, les tubes en alliage réfractaire doivent être résistants à l'oxydation à haute température et au fluage. Les conditions de fonctionnement induisent un profil thermique avec un gradient important entre le haut (650 / 700°C) et le bas (900 / 950°C) en raison de la réaction endothermique. Pour atteindre un tel niveau de température, les reformeurs sont conçus avec une grande variété d'arrangements de tubes et de brûleurs. La chaleur est transférée vers le catalyseur grâce à la conception des tubes (section, longueur, épaisseur). Une étape de limitation pour la réaction de reformage est la quantité de chaleur apportée à la partie supérieure du réacteur par la configuration des tubes existants. Une amélioration des tubes commerciaux actuels est proposée pour améliorer cet inconvénient. De nombreux documents décrivent l'amélioration du transfert de chaleur dans des tubes de reformage en plaçant une structure de transfert de chaleur à l'intérieur du tube : - le document US2013/0153188 propose une structure de transfert de chaleur en contact thermique avec l'intérieur du tube ; - le document US 8529849 propose un tube partiellement rempli d'au moins un élément en alliage à mémoire de forme pour augmenter le coefficient de transfert de chaleur. L'alliage à mémoire de forme peut se déployer pour rester en contact avec le tube et combler l'écart entre le tube et le lit catalytique ; - le document US2007/0297956 propose un réacteur rempli d'une structure extensible offrant un meilleur transfert de chaleur ; - le document US 2010/0038593 propose un réacteur tubulaire présentant une structure conduisant à un transfert de chaleur par impacte de jets. Cet ensemble de brevets propose une amélioration des transferts thermiques à l'intérieur des tubes. Ce qui représente les inconvénients suivants pour les fours SMR : difficulté de remplissage et de vidange de catalyseurs dans les tubes, augmentation de la perte de charge à l'intérieur des tubes due à la présence des structures supplémentaires, risque d'hétérogénéité de répartition de débit dans le tube, gain d'efficacité moins important par rapport à une structure externe. D'autres documents décrivent l'amélioration du transfert de chaleur dans les fours de reformage en plaçant une structure de transfert de chaleur à l'extérieur du tube. A titre d'exemple le document 2012/0251407 propose d'installer des ailettes sur la surface externe des tubes mais uniquement dans des fours de craquages d'hydrocarbures au delà de 2 atomes de carbone. Enfin d'autres documents (PCT/FR2008/050170 et FR1050645) proposent d'utiliser un réacteur tubulaire classique revendiquant une augmentation de la surface métallique par addition d'ondulations creusées dans l'épaisseur du tube le long de la longueur du réacteur. Ces éléments étendus vont augmenter la surface d'échange interne entre la surface interne du tube et le matériau catalytique et donc améliorer l'efficacité du transfert de chaleur dans la partie supérieure du tube. Dans le cas où on ajoute des surfaces supplémentaires sur la paroi interne des tubes, on trouve les mêmes inconvénients que dans le cas des structures supplémentaires à l'intérieur des tubes. Partant de là, un problème qui se pose est de fournir un four de vaporeformage présentant des tubes dont la configuration permet une augmentation de la chaleur absorbée. Une solution de la présente invention est un four de vaporeformage pour la production d'hydrogène, comprenant une pluralité de tubes de reformage permettant un écoulement d'hydrocarbures et d'au moins un fluide à l'intérieur des tubes de haut en bas et présentant sur au moins une partie de la moitié supérieure de leur surface extérieure au moins une ailette d'épaisseur comprise entre 1 et 30 mm, de largeur comprise entre 3 mm et 100 mm et d'une longueur comprise entre 1 m et une longueur équivalent à la hauteur du dit four (souvent 12 m). La composition chimique de l'ailette sera identique ou très proche de celle du tube (alliage réfractaire). De préférence l'épaisseur est comprise entre 3 et 10 mm, la largeur comprise entre 10 et 30 mm, la longueur comprise entre 1 et 10 m. Selon le cas, le four de vaporeformage selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous : - le nombre d'ailettes par tube est compris entre 1 et 50, de préférence compris entre 2 et 26; - l'ailette peut avoir la forme d'une plaque en forme de rectangle, de trapèze, une plaque triangulaire, une plaque ondulée ou une plaque biseautée ; - les ailettes sont installées à la verticale ; - les tubes de reformage sont installés dans une chambre de combustion ; - le fluide s'écoulant avec les hydrocarbures à l'intérieur des tubes est de la vapeur d'eau. Les ailettes sont de préférence soudées sur les zones les plus froides du tube. Tous les tubes sont installés à l'intérieur d'une chambre de combustion. Le fluide s'écoulant dans les tubes de reformage est de préférence un mélange de méthane et de la vapeur d'eau. Avantageusement, le méthane peut renfermer une quantité minime en H2 (1 à 10 % préférentiellement 2 à 4 %). Ce méthane peut contenir également certaines impuretés comme du CO2ou de l'azote. Les échanges thermiques entre l'environnement externe et la partie supérieure de chaque tube doivent être aussi élevés que possible en raison des réactions endothermiques : - reformage du méthane à la vapeur : CH4+ H20 CO + 3H2 AH = 205.8 kJ/mol - reformage du méthane à sec: CH4+ CO2 2C0 + 2H2 AH = 246.9 kJ/mol Une quantité importante d'énergie est donc nécessaire pour atteindre rapidement l'équilibre. Pour illustrer le rôle de cette invention, l'évaluation des gains en termes d'amélioration de transfert de chaleur a été réalisée en utilisant des outils de modélisation, pour différentes configurations de travail et différentes géométries. Nous ne traiterons dans ce qui suit que le cas d'ailettes parallélépipédiques. La figure 1 donne un exemple d'une section d'un tube présentant 4 ailettes parallélépipédiques. Les ailettes sont utilisées en général pour augmenter la surface d'échange de chaleur dans les échangeurs de chaleur. Pour obtenir le gain maximum de la chaleur avec des ailettes, il doit être installé du côté de l'échangeur de chaleur où la résistance thermique est le plus élevée. Pour les fours de vaporeformage, la résistance thermique Rext au niveau du côté externe du tube est la plus forte (0.0064 mK/W) par rapport à la résistance de conduction Rt de la paroi du tube (0.0012 mK/W) et la résistance thermique Knt entre la surface interne du tube et le gaz de synthèse (0.0029 mK/W) (figure 2). Rext 1 - 0.0064 111.K/W R - = 0.0012 m.K/W Rint m.K/W - 0.0029 7 D ext hext 1 l ( Dext n 27rÀ D111 1 D111 7 'Int h11 où Dext et Dint sont respectivement le diamètre extérieur et intérieur du tube, Àt est la conductivité thermique de la paroi du tube et hext et h,nt sont respectivement les coefficients de transfert de chaleur sur le côté externe et interne du tube. Ensuite, la résistance thermique totale entre les gaz de combustion et le gaz de synthèse est la somme des trois résistances : Rt, = Re, + R, + Rttit = 0.0064+ 0.0012+ 0.0029 = 0.0105 m.KiW En fait la résistance thermique externe Rext représente environ 61% de la résistance thermique totale Rtot et est deux fois plus importante que la résistance thermique interne Rint. En effet, si on double le coefficient de transfert de chaleur hext, la résistance thermique externe Rext sera réduite de moitié et la résistance totale Rtot par 31%. Cependant, si l'on double le coefficient de transfert de chaleur hint, donc on réduit de moitié Rint et le Rtot est seulement réduit de 14% et non de 31% comme dans le premier cas. Par conséquent, pour obtenir l'effet maximal sur le transfert total de chaleur entre les gaz de combustion et les gaz de synthèse, les ailettes doivent être installées sur la surface externe du tube comme le montre la figure 1, qui donne un exemple pour l'installation de quatre ailettes parallélépipédiques. Nous utiliserons dans la suite de l'approche « ailette » qui est basée sur l'approximation que le profil de température le long de l'épaisseur de l'ailette est presque uniforme par rapport au profil de température le long de la largeur de l'ailette. Cette approximation est valable si le nombre de Biot est inférieur à 1. Le nombre de Biot pour une ailette rectangulaire est défini par : h f e Bi - j 2 À,f où hf est le coefficient de chaleur total (rayonnement et convection) entre l'ailette et la température ambiante autour de l'ailette et Àf est la conductivité thermique des ailettes. On suppose que le coefficient de transfert de chaleur autour de l'ailette est tout à fait le même que celui autour du tube et l'ailette. h f,-'k,' hext and 2f = 2, Dans les fours de reformage où le coefficient de chaleur externe hext est d'environ 400 W/m2.K et la conductivité thermique des ailettes Àf est de 30W/m.K, aussi longtemps que l'épaisseur e des ailettes est inférieure à 15mm, le nombre de Biot est inférieur à 0,1 et l'approximation est valable. Dans ce qui suit nous considérons que cette condition est respectée. Dans ce cas le profil de température le long de la largeur de l'ailette est seulement en 1 dimension (1-D). Le profil de température le long de la largeur de la largeur de l'ailette (profil avec x en coordonnée avec x = 0 la base du tube) est exprimée par : T (x) -Tamb ( exp(m (iv x)) ( 2., 1m exp(- m (iv - x)) 2., m 1 1+ f \ \ hI j hI j T(0) -Tamb ( exp(m 142) ( ).,1 m exp(- m iv) 1+ f 1 \ \ hI j h1 j Cette formulation est basée sur l'hypothèse que la température de la base de l'ailette n'est pas modifiée par la présence de celle-ci. Afin de choisir les dimensions optimales des nageoires, nous allons introduire le paramètre ailette appelé m (dimension m-1-) pour une zone constante de la coupe transversale de l'ailette définie par : m - Ài A, 1 h. P 1h,, P A, Où P est le périmètre de la coupe transversale de l'ailette et Ac est l'aire de la section transversale de l'ailette. Dans les fours de reformage, le rayonnement de chaleur provenant des gaz de combustion et des parois du four représente 95% du flux total de chaleur sur les tubes. Ainsi, dans la suite, le flux de chaleur par convection sur les tubes va être négligé par rapport au flux de chaleur par rayonnement. La figure 3 montre un exemple de coefficient de transfert de chaleur totale hext sur la surface externe du tube et la température ambiante équivalente appelée aussi température incidente Tinc autour du tube en haut du four en fonction de la distance par rapport au haut du four. La température incidente est calculée est calculée en utilisant la relation suivante et en connaissant le flux de chaleur total et la température extérieure du tube à l'intérieur du four : 9t (Pr ±9conv (Pr (9inc T4)=E (0- 1lin4, T4) ( 4 ± T4 Tinc E Où cpr and (pwnv sont respectivement le flux de chaleur total, le flux de chaleur par rayonnement et le flux de chaleur par convection sur le tube, £ est l'émissivité externe du tube, a est la constante de Stefan-Bolztmann (5,67 10-85.1.) et T est la température extérieure du tube en Kelvin. Si nous supposons que le flux de chaleur totale du flux peut être linéarisé, puis que l'on peut introduire un coefficient de transfert de chaleur totale sur la surface externe du tube comme suit : hex Tinc-T La valeur moyenne pour hext le long de toute la hauteur du tube est de 393 W/m2 et la valeur moyenne pour la température ambiante ou incidente est de 1066°C. Ces résultats sont obtenus à partir de calculs numériques en 3-D de la dynamique de fluides (Computational Fluid Dynamics) à l'intérieur du four de reformage comme la température externe du tube et le flux de chaleur qui sont affichés sur la figure 4 en fonction de la distance par rapport à la hauteur du four. Pour une ailette parallélépipédique de largeur w, d'épaisseur e et de longueur L, nous avons le rapport du périmètre de l'ailette que l'air de la section transversale de l'ailette égale à : P 2 (L + e) 2 L 2 A, Le Le e Comme l'épaisseur de l'ailette est très faible par rapport à sa longueur, le paramètre m de l'ailette est pratiquement indépendant de sa longueur. e « L m \I 2 hext e Plus la distance entre la base de l'ailette et un autre point de l'ailette est importante, plus la température de l'ailette à ce point devient plus proche de la température ambiante et moins l'ailette à partir de cette distance devient utile. La largeur de l'ailette devrait donc être inférieure à une certaine limite déterminée par la relation suivante : 2.65 Whm Cette taille limite wh, de l'ailette correspond à 99% de la chaleur maximale acquise par une ailette infinie. On remarque que pour la moitié de cette taille limite .1./2 whm 1.325 (112 ) nous 2 avons déjà 90% de la chaleur acquise par une ailette infinie (voir figure 5). Ces résultats ont été confirmés par des calculs numériques 2 dimensions (2-D). Dans ce qui suit nous allons restreindre la largeur de l'ailette à cette limite afin de réduire le poids du tube (avec ailettes) tout en maintenant le gain de chaleur proche du maximum. Afin de choisir le nombre d'ailettes à installer sur un tube, nous allons tout d'abord introduire le paramètre d'efficacité de l'ailette of qui est défini comme le rapport du flux de chaleur transféré à travers une ailette (I)f et celui transféré sur la même surface sans ailette cl)t : ri 1 (I) dT m ( exp(m iv)+ ( 1 exp(- m 1+ 1 1- - hI hI dx a), 0 _ I I ( exp(m w) - ( À, in exp(- m h ext(T(x = °) Tamb) À, in 1 1 1+ 1 hI j hI L'efficacité maximale de l'ailette est obtenue quand la largeur de l'ailette est infinie (w -> oo or m w 3). Dans ce cas, l'efficacité de l'ailette devient : 111 n f max = n -> cc or m w > 3) - hf f Notons que est représenté dans la Figure 5 comme une fonction de m w. f max Ensuite, nous allons utiliser l'efficacité du tube avec des ailettes ri,f définie comme le rapport entre le flux de chaleur transféré vers un tube équipé d'ailettes cl)tt et le flux de chaleur transféré vers un tube sans ailette cl)t (tube nu). (I),f ri t f (1) Pour une approche 1-D et en supposant constante la température de la paroi extérieur du tube, on obtient : 1-lin Où nt est le nombre d'ailettes sur le périmètre du tube. L'efficacité du tube avec des ailettes peut être déterminée par un calcul numérique de conduction 2-D avec des conditions aux limites à l'intérieur du tube. Ceci implique que la température à la base de l'ailette n'est pas fixée. Les figures 6 et 7 montrent le nombre d'ailettes en fonction de l'augmentation de flux pour trois épaisseurs d'ailette 1mm, 3mm et 7 mm avec une largeur d'ailette respectant le critère 1.325 112 = Wlim/ m La figure 6 compare les deux approches de calcul 1-D et 2-D. Comme l'approche 1-D considère que la température à la base de l'ailette est constante, l'augmentation du flux, pour un même nombre d'ailettes, est surestimée par rapport à l'approche 2-D. Par la suite on va se baser sur l'approche 2-D qui est plus proche de la réalité. La figure 7 compare l'efficacité du tube pour deux conditions de flux externe du tube différentes 101 kW/m2, valeur caractéristique pour la région du tube proche de la partie supérieure du four ± (7r De,t f e)0 11 1 7 -1) I e 7 D ext De, et 67kW/m2, valeur caractéristique pour le milieu du tube dans le sens de la hauteur. Pour un même nombre d'ailettes ayant les mêmes caractéristiques, l'efficacité du tube avec ailettes varie légèrement avec le flux. On remarque que plus le flux externe est important, plus on gagne en efficacité. L'efficacité du tube avec ailettes varie significativement avec les caractéristiques de l'ailette. Pour un même nombre d'ailettes, plus l'ailette est épaisse, plus l'efficacité du tube augmente mais le poids du tube sera plus élevé. La figure 8 montre l'augmentation du poids du tube due aux ailettes (supposé sur toute la longueur du tube) en % qui est égal au rapport : poids des ailettes en % - 100* nf e w Ir e2xt D 12nt) - 4 L'augmentation du poids du tube est affichée en fonction de l'augmentation du flux de chaleur en % (égal à 100*(17,1 -1) ) pour trois épaisseurs d'ailette 1mm, 3mm et 7 mm avec une largeur d'ailette respectant le critère w = 1.325 . On observe que pour une même augmentation de flux, plus l'ailette est épaisse plus l'augmentation du poids du tube est importante. Sur la figure 9, le rapport entre l'augmentation du flux de chaleur due aux ailettes et l'augmentation du poids du tube est tracé en fonction de l'épaisseur et pour une largeur d'ailette définie par w1 12 = 1.325 h . Ceci montre que plus l'ailette est mince, plus la chaleur captée par le tube sera importante pour une augmentation de poids de tube donnée. Cela est dû à la surface d'échange plus importante pour une ailette fine. Une autre limitation pour le nombre d'ailettes est la distance minimale entre deux ailettes. Cette distance doit être au moins égale à la largeur d'une ailette afin de laisser un espace suffisant pour le rayonnement (le rayonnement est la plus grande partie de la chaleur transférée aux tubes) provenant des parois du four et des gaz de combustion pour chauffer le tube et les ailettes. Dans ce cas, le nombre maximal d'ailettes qui peut être mis sur un tube est égal à : n f illax 7 D ext poids du tube w + e En conséquence, le nombre d'ailettes sur un tube doit être toujours inférieur ou égal à cette limite (nf Comme les ailettes améliorent le flux de chaleur capté par le tube, la température du tube se retrouve augmentée. Par conséquent, il faut vérifier à l'aide de la modélisation numérique que la température de surface du tube avec des ailettes ne dépasse pas la MOT (Maximum Operating Temperature = température maximale de fonctionnement en français), en particulier dans la partie inférieure du four de reformage où les températures des tubes sont déjà proches de la MOT. Pour illustrer cela, la Figure 10 montre l'augmentation de la température du tube en fonction du nombre d'ailettes avec 3 mm d'épaisseur et 13.5 mm de largeur et pour deux valeurs de flux externe différentes 101 kW/m2 et 67 kW/m2. On observe que le flux a un impact important sur cette augmentation de température. Afin de déterminer l'effet de l'ailette sur le rendement thermique du four de reformage, des calculs numériques 1-D couplés entre le transfert de chaleur dans la chambre de combustion et le transfert de chaleur à l'intérieur des tubes ont été effectués. Il a été montré que le rendement thermique du four peut-être augmenté jusqu'à 3,5%. Ceci a été obtenu avec un nombre variable d'ailettes par tube dépendant de la hauteur du tube. L'objectif est de maximiser le flux de chaleur total absorbé par chaque tube tout en maintenant la température maximale du tube inférieure à la MOT et en évitant la formation de carbone dans la partie supérieure des tubes. L'augmentation de l'efficacité du four peut être utilisée soit pour augmenter l'alimentation du tube et la production d'hydrogène jusqu'à 3.9% avec la même puissance du brûleur soit pour réduire la puissance du brûleur jusqu'à 4,2% avec la même production d'hydrogène. Ceci tout en gardant constante la température de sortie du four du gaz de synthèse. Dans la figure 11, les profils de température d'un tube en fonction de la distance à partir du haut du four sont affichés pour le cas de référence La position circonférentielle des ailettes sur le tube peut être également optimisée pour homogénéiser le profil de la température à une hauteur donnée. Une autre façon de profiter de l'augmentation de l'efficacité du four due aux ailettes du tube est de modifier le design du four pour une production donnée en réduisant jusqu'à 3,5% la hauteur du four ou le nombre de tubes à l'intérieur de ce même four. Il peut être également intéressant de combiner les deux dernières possibilités, mais avec le pourcentage de réduction inférieur pour chaque. Tous les résultats présentés ci-dessus correspondent à une forme d'ailette rectangulaire. Des résultats similaires sont trouvés pour des ailettes qui ont des coupes transversales trapezoïdales ou triangulaires et confirment les avantages de ces formes d'ailettes sur l'amélioration du transfert de chaleur vers les tubes. Pour conclure, les dimensions optimales d'ailettes des tubes des fours de reformage, qui peuvent avoir eux-mêmes une hauteur variable, sont définies dans la gamme : - épaisseur entre 1 et 30 mm ; - largeur entre 3 et 100 mm ; - longueur comprise entre 1 m et une longueur équivalente à la hauteur du four ; - nombre d'ailettes par tube compris entre 1 et 50. Et le four de reformage selon l'invention est de préférence utilisé pour la production d'hydrogène. Enfin, notons que les ailettes peuvent être fixées sur un tube de reformage par soudage ou par coulage ou par fabrication additive. REVENDICATIONS1. Four de reformage pour la production d'hydrogène, comprenant une pluralité de tubes de reformage permettant un écoulement d'hydrocarbures et d'au moins un fluide à l'intérieur des tubes de haut en bas et présentant, sur au moins une partie de la moitié supérieure de leur surface extérieure, au moins une ailette d'épaisseur comprise entre 1 et 30 mm, de largeur comprise entre 3 mm et 100 mm et d'une longueur comprise entre 1 m et une longueur équivalente à la hauteur du dit four. 2. Four de reformage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre d'ailettes par tube est compris entre 1 et 50, de préférence compris entre 2 et 26. 3. Four de reformage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'ailette peut avoir la forme d'une plaque en forme de rectangle, de trapèze, de triangle, une plaque ondulée ou une plaque biseautée. 4. Four de reformage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ailettes sont installées à la verticale. 5. Four de reformage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le fluide s'écoulant avec les hydrocarbures à l'intérieur des tubes est de la vapeur d'eau. 6. Four de reformage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les tubes de reformage sont installés dans une chambre de combustion. 7. Utilisation d'un four de reformage tel que défini dans l'une des revendications 1 à 6 pour la production d'hydrogène.