Brevet FR3047423A1 — publié le 20170811

La présente invention est relative à un dispositif d'ailettes pour tube de reformage. Dans les procédés de craquage ou de reformage d'hydrocarbures comme par exemple le procédé de reformage du méthane à la vapeur, une approche possible est l'augmentation de l'efficacité énergétique des tubes de reformage par l'ajout par soudage en surface externe d'ailettes afin d'augmenter localement leur surface d'échange, comme illustré en figure 1. En effet, la figure 1 représente un exemple de section de tube de reformage avec 4 ailettes parallélépipédiques soudés sur la surface externe avec w la longueur d'ailettes et e l'épaisseur de l'ailette. De manière générale jusqu'à présent on a observé des systèmes constitués par un ensemble de tubes réactionnels équipés d'ailettes attachées c'est-à-dire soudées ou moulées au tube de reformage. Toutefois, le soudage ou le moulage de ces éléments sur les tubes de reformage n'est pas sans conséquence. Cette opération est par exemple longue et coûteuse. Elle peut d'une part modifier les caractéristiques mécaniques et métallurgiques des tubes et d'autre part entraver l'éventuelle inspection des tubes de l'extérieur par les systèmes robotisés traditionnels. De plus, l'implantation des ailettes par soudage ou moulage ne considère pas l'hétérogénéité du profil de température circonférentiel du tube de reformage. Partant de là, un problème qui se pose est de fournir un dispositif d'ailettes pour tube de reformage amélioré. Une solution de la présente invention est un dispositif d'ailettes démontable pour tube de reformage comprenant : - entre une et cinquante ailettes 1, - au moins une paire de demi-anneaux « de support » 2 permettant de supporter les ailettes 1 et les maintenir en position verticale, - un moyen de connexion 3 amovible des deux demi-anneaux « de support » 2 permettant de former un anneau continu « de support », - au moins une paire de demi-anneaux « de maintien » 4 permettant de maintenir les ailettes 1 en contact avec la surface extérieure du tube de reformage 6, et 3047423 2 - un moyen de connexion 5 amovible des deux demi-anneaux « de maintien » 4 permettant de former un anneau continu « de maintien ». Selon le cas, le dispositif d'ailettes peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 5 - ledit dispositif comprend entre 2 et 26 ailettes. - les demi-anneaux « de support » comprennent : une partie supérieure comprenant des logements permettant de recevoir les extrémités des ailettes et dimensionnées aux dimensions de ces extrémités, et une partie inférieure pleine sur laquelle peuvent reposer les ailettes. - les demi-anneaux « de maintien » comprennent des cavités ouvertes vers l'intérieur du demi- 10 anneau, permettant de recevoir des tronçons d'ailettes, et dimensionnées aux dimensions des tronçons d'ailettes, de manière à maintenir les ailettes en contact avec la surface extérieure du tube de reformage. - le moyen de connexion amovible des deux demi-anneaux « de support » comprend un premier et un deuxième moyens de fixation, chaque moyen de fixation permettant de maintenir face à 15 face une extrémité d'un demi-anneau avec une extrémité de l'autre demi-anneau appartenant à la même paire. - le premier moyen de fixation est une charnière avec son jeu de boulonnerie associé et le deuxième moyen de fixation est un double jeu de boulonnerie. - le moyen de connexion amovible des deux demi-anneaux « de maintien » comprend un 20 premier et un deuxième moyens de fixation ; chaque moyen de fixation permettant de maintenir face à face une extrémité d'un demi-anneau avec une extrémité de l'autre demi-anneau appartenant à la même paire. - le premier moyen de fixation est une charnière avec son jeu de boulonnerie associé et le deuxième moyen de fixation est un jeu double de boulonnerie. 25 Les avantages d'un tel dispositif d'ailettes selon l'invention sont multiples. En premier lieu, le dispositif d'ailettes selon l'invention offre plus de flexibilité concernant l'utilisation des ailettes. Elle facilite le montage et le retrait des ailettes sur des tubes neufs comme sur des tubes anciens, avec un temps de pose réduit par rapport à un système soudé. L'invention n'a pas d'impact sur les propriétés mécaniques ou métallurgiques du tube du reformage. Elle facilite 3047423 3 également les futures opérations d'inspection extérieure et de maintenance grâce à sa démonta bilité. Avec un système démontable on pourra i) installer des ailettes dans les parties du tube où le flux de chaleur est important mais avec une température locale de tube loin de la température 5 MOT (Maximun Operating Temperature = température de fonctionnement maximale) ii) installer des ailettes de manière optimisée sur la longueur et la circonférence du tube. De préférence les ailettes auront une épaisseur e comprise entre 1 et 30 mm, une largeur w (dans le sens du rayon du tube) comprise entre 3 mm et 100 mm et une longueur (selon l'axe du tube) comprise entre 1 m et une longueur maximale équivalente à la hauteur du tube de 10 reformage sur lequel elles peuvent être utilisées (souvent 12 m). De préférence l'épaisseur e est entre 3 et 10 mm, la largeur w comprise entre 10 et 30 mm et la longueur comprise entre 1 et 10 m. La présente invention a également pour objet un dispositif de reformage comprenant : - au moins un tube de reformage, préférentiellement plusieurs dizaines à plusieurs centaines 15 tubes de reformage, - au moins un dispositif d'ailettes selon l'invention maintenu autour du tube de reformage. Notons que le dispositif de reformage pourra comprendre plusieurs types de dispositifs d'ailettes suivant la longueur du tube de reformage afin de mieux s'adapter au profil de flux de chaleur selon la longueur du tube et selon la circonférence de ce tube. 20 Selon le cas, le dispositif de reformage présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - au moins 2 moyens de fixation permettant de soutenir le dispositif d'ailettes sont soudés sur le tube de reformage. - les moyens de fixation sont des languettes de support. 25 - le dit dispositif est soutenu par moins de 4 moyens de fixation, de préférence 2 moyens de fixation. - les demi-anneaux « de support » et « de maintien » du dispositif d'ailettes présentent un diamètre interne sensiblement égal au diamètre externe du tube de reformage. Par 3047423 4 « sensiblement égal » on entend égal ou légèrement supérieur de manière à tenir compte de la dilatation différentielle entre le tube et les demi-anneaux. - la paire de demi-anneaux « de support » du dispositif d'ailettes est positionnée au moins à 0.5 m de la base inférieure du tube de reformage. 5 Enfin la présente invention a également pour objet un four de reformage comprenant une pluralité de dispositifs de reformage selon l'invention et permettant un écoulement d'hydrocarbures et d'au moins un fluide à l'intérieur des tubes de reformage. Ce four de reformage d'un hydrocarbure, d'un alcool... peut-être utilisé pour la production de gaz de synthèse ou d'hydrogène. 10 Notons que le tube de reformage selon l'invention pourra être utilisé à haute température (600°C température de peau entrée tube jusqu'à 1000°C température de peau sortie tube). La présente invention va à présent être décrite plus en détail à l'aide des figures 2 à 6. La figure 1 représente un dispositif d'ailettes selon l'invention. La figure 2 représente un dispositif d'ailettes selon l'invention associé à un tube de reformage. 15 La figure 3 représente une vue de dessous de deux demi-anneaux « de support » associé à un tube de reformage. La figure 4 représente une vue en 3 dimensions des deux demi-anneaux « de support ». On y voit en particulier les logements permettant de recevoir les extrémités des ailettes et dimensionnées aux dimensions de ces extrémités. 20 La figure 5 représente une vue de dessus des deux demi-anneaux « de maintien » associé à un tube de reformage. La figure 6 représente une vue en 3 dimensions des deux demi-anneaux « de maintien ». On y voit en particulier les cavités 9 ouvertes vers l'intérieur du demi-anneau, permettant de recevoir des tronçons d'ailettes, et dimensionnées aux dimensions des tronçons d'ailettes. Notons que 25 pour recevoir les tronçons d'ailettes les cavités débouchent à la fois à la surface supérieure et à la surface inférieure des demi-anneaux « de maintien ». Les paires de demi-anneaux de maintien auront pour diamètre interne le diamètre extérieur des tubes de reformage en tenant compte de la dilatation différentielle entre le tube et les demi-anneaux. Leur épaisseur dans le sens radial correspondra à au moins une fois la longueur des 3047423 5 ailettes w. Elles devront être usinées aux caractéristiques des ailettes préalablement déterminées (nombre maximale, disposition, longueur et largeur). En fonction de la position du tube dans le four, certaines places pouvant être laissées non-occupées. Le nombre et l'épaisseur de ces éléments seront fonction de la hauteur des ailettes de manière 5 à assurer leur maintien sur le tube pendant toutes les phases de fonctionnement des tubes de reformage (conditions normales et transitoires). La paire de demi-anneaux « de support » aura pour fonction de supporter la charge verticale de l'ensemble constitué des ailettes et demi-anneaux de maintien radial. Une paire sera positionnée en extrémité basse de chaque système c'est à dire positionnée au moins à 0.5 m de 10 la base inférieure du tube de reformage. Le support du dispositif d'ailettes sera assuré par l'action combinée des demi-anneaux 2 « de support » et des languettes de support 7. Cette paire d'anneaux aura de préférence le même diamètre interne et externe que les paires de demi-anneaux de maintien radial. Les systèmes de fixation des demi-anneaux auront pour fonction de maintenir solidaire au tube 15 de reformage les paires de demi-anneaux « de maintien» 4 ou « de support » 2. Un des deux systèmes peut être sous forme de charnière, l'autre laissant obligatoirement la possibilité d'être ouvert afin de rendre possible le montage et le démontage du dispositif d'ailettes autour du tube. La géométrie du système de fixation doit être déterminée afin d'assurer le maintien des demi-anneaux sur le tube pendant toutes les phases de fonctionnement des tubes de reformage 20 (conditions normales et transitoires). Les languettes de support 7, avec la paire de demi-anneau « de support » 2 aura pour fonction de soutenir la charge verticale de l'ensemble du dispositif d'ailettes selon l'invention. Ce seront les seuls éléments du dispositif d'ailettes qui devront être soudés sur les tubes de reformage, afin d'assurer la démontabilité du dispositif. Afin de limiter leur impact sur les caractéristiques 25 du tube et sur les opérations d'inspection et de maintenance, leur nombre devra être le plus faible possible idéalement entre 2 et 4 par tube de reformage, ainsi que leur géométrie (longueur, largeur et épaisseur) afin de limiter le temps et l'énergie nécessaire à leur soudage. Si leur présence est un frein aux opérations d'inspection extérieure, ils pourront être 3047423 6 éventuellement retirés par une opération de meulage lors du démontage de la présente invention et repositionnés lors du remontage de celle-ci. Les caractéristiques des ailettes et leur implantation autour du tube de reformage pourront être dissymétriques si besoin afin de pallier l'hétérogénéité du profil de température circonférentiel 5 du tube. Dans ce cas, chaque demi-anneau devra être usiné différemment de l'autre élément constituant la paire. Afin de faciliter le montage du dispositif d'ailettes selon l'invention, les ailettes pourront être soudées préalablement à leur mise en place soit à une ou plusieurs paires de demi-anneaux « de maintien » soit aux demi-anneaux « de support ». 10 Afin de limiter les phénomènes de contraintes de dilatation thermiques différentielles, les matériaux de construction du dispositif d'ailettes selon l'invention devront posséder des caractéristiques proches de celles des tubes de reformage (à titre d'exemple alliage 800HT), excepté pour le système de fixation des demi-anneaux qui devra obligatoirement posséder un coefficient de dilation thermique plus faible que les autres matériaux. 15 Un ensemble de dispositif(s) démontable(s), doté(s) du nombre d'ailettes optimisé et implanté(s) autour d'un tube de reformage permet d'augmenter la température du tube dans la partie supérieure du four et de la stabiliser dans la partie inférieure comme indiqué sur la figure 7. Les dispositifs d'ailettes selon l'invention augmentent le flux de chaleur capté par le tube de 20 reformage, comme indiqué par la figure 8. Dans cet exemple, chaque tube sera muni de 4 dispositifs d'ailettes démontables, énumérés à partir du haut du four : 1er dispositif d'ailettes : 3 ailettes sur une hauteur comprise entre 0 et 1.5 m, 2ème dispositif d'ailettes : 26 ailettes entre 1.5 m et 3.3 m, 3ème dispositif d'ailettes : 17 ailettes entre 3.3 m et 10 m, et 25 4ème dispositif d'ailettes : 26 ailettes entre 10 m et 12 m. Cette augmentation de flux peut être utilisée pour augmenter la production du four de l'ordre de 4% ou bien de diminuer la consommation de brûleurs en gaz naturel de 4% pour la même production. Dans ce cas, la température de peau du tube côté entrée est de l'ordre de 750°C et la température de peau du tube côté sortie est de 920°C. REVENDICATIONS1. Dispositif d'ailettes démontable pour tube de reformage comprenant : - entre une et cinquante ailettes (1), - au moins une paire de demi-anneaux « de support » (2) permettant de supporter les ailettes (1) et les maintenir en position verticale, - un moyen de connexion (3) amovible des deux demi-anneaux « de support » (2) permettant de former un anneau continu « de support », - au moins une paire de demi-anneaux « de maintien » (4) permettant de maintenir les ailettes (1) en contact avec la surface extérieure du tube de reformage (6), et - un moyen de connexion (5) amovible des deux demi-anneaux « de maintien » (4) permettant de former un anneau continu « de maintien ». 2. Dispositif d'ailettes selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend entre 2 et 26 ailettes. 3. Dispositif d'ailettes selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les demi-anneaux « de support » comprennent : - une partie supérieure comprenant des logements (8) permettant de recevoir les extrémités des ailettes (1) et dimensionnées aux dimensions de ces extrémités, et - une partie inférieure pleine sur laquelle peuvent reposer les ailettes. 4. Dispositif d'ailettes selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les demi-anneaux « de maintien » comprennent des cavités (9) : - ouvertes vers l'intérieur du demi-anneau, - permettant de recevoir des tronçons d'ailettes, et - dimensionnées aux dimensions des tronçons d'ailettes, de manière à maintenir les ailettes en contact avec la surface extérieure du tube de reformage. 3047423 8 5. Dispositif d'ailettes selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen de connexion amovible des deux demi-anneaux « de support » comprend un premier et un deuxième moyens de fixation, chaque moyen de fixation permettant de maintenir face à face une extrémité d'un demi-anneau avec une extrémité de l'autre demi-anneau appartenant à la 5 même paire. 6. Dispositif d'ailettes selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier moyen de fixation est une charnière avec son jeu de boulonnerie associé et le deuxième moyen de fixation est un double jeu de boulonnerie. 10 7. Dispositif d'ailettes selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le moyen de connexion amovible des deux demi-anneaux « de maintien » comprend un premier et un deuxième moyens de fixation ; chaque moyen de fixation permettant de maintenir face à face une extrémité d'un demi-anneau avec une extrémité de l'autre demi-anneau appartenant à la 15 même paire. 8. Dispositif d'ailettes selon la revendication 7, caractérisé en ce que le premier moyen de fixation est une charnière avec son jeu de boulonnerie associé et le deuxième moyen de fixation est un jeu double de boulonnerie. 20 9. Dispositif de reformage comprenant : - au moins un tube de reformage, préférentiellement plusieurs dizaines à plusieurs centaines tubes de reformage, - au moins un dispositif d'ailettes selon l'une des revendications 1 à 8 maintenu autour du tube 25 de reformage. 10. Dispositif de reformage selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'au moins 2 moyens de fixation (7) permettant de soutenir le dispositif d'ailettes sont soudés sur le tube de reformage. 3047423 9 11. Dispositif de reformage selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de fixation sont des languettes de support (7). 12. Dispositif de reformage selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que le dit 5 dispositif est soutenu par moins de 4 moyens de fixation (7), de préférence 2 moyens de fixation (7). 13. Dispositif de reformage selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que les demi-anneaux « de support » et « de maintien » du dispositif d'ailettes présentent un diamètre 10 interne égal au diamètre externe du tube de reformage. 14. Dispositif de reformage selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que la paire de demi-anneaux « de support » du dispositif d'ailettes est positionnée au moins à 0.5 m de la base inférieure du tube de reformage. 15 15. Four de reformage comprenant une pluralité de dispositifs de reformage selon l'une des revendications 9 à 14 et permettant un écoulement d'hydrocarbures et /ou d'un alcool et d'au moins un fluide à l'intérieur des tubes de reformage. 20 16. Utilisation d'un four de reformage tel que défini dans la revendication 14 pour la production de gaz de synthèse ou d'hydrogène. 25