Brevet FR3075364A1 — publié le 20190621

La presente invention est relative a un dispositif de mesure de la temperature interne d'un tube de reformage et au tube de reformage le comprenant. Les fours de reformage du methane a la vapeur (SMR) sont utilises pour la production d'hydrogene, de monoxyde de carbone et de gaz de synthese. Les reactions de craquage de la charge hydrocarbonee sont endothermiques et necessitent une grande quantite de chaleur. Le four SMR, est une construction parallelepipedique realisee avec des elements de structures et des murs constitues de briques en ceramique, disposant de sources de chaleur, generalement des rangees de bruleurs, implantes verticalement sur les parois laterales (technologie side-fired), horizontalement sur le plafond ou la sole du four (technologie top- fired et bottom fired respectivement). Des rangees de tubes catalytiques sont disposees dans le four. Les reactions de craquage ont lieu dans ces tubes catalytiques qui sont dimensionnes en longueur, en diametre et en epaisseur pour permettre aux reactions d'être completes avec une efficacite de procede recherchee proche de l'equilibre thermodynamique. Ces tubes cylindriques ont des dimensions et une forme uniformes (typiquement 12m de hauteur, 10 cm de diametre interne et avec une epaisseur de l'ordre de 1 a 1,5 cm), mais avec une capacite limitee de transfert de chaleur. Le transfert de chaleur est une des etapes limitantes du procede. L'evaluation du transfert de chaleur tout au long du tube de reformage nest pas aisee, mais il peut etre estime en utilisant des outils de simulations. La precision des resultats donnes par la simulation est dependante de plusieurs parametres qui vont alimenter le modele. La connaissance du profil de temperature reelle qui siege dans les tubes catalytiques contribue a la validation du modele. Pour ameliorer la precision des resultats, il est important de pouvoir mesurer ce profil de temperature. La mesure de temperature en peau externe du tube est possible, elle peut etre obtenue en utilisant par exemple un pyrometre ou une camera IR ayant une longueur d'onde de par exemple de 3,1 p.m, ou en soudant des thermocouples de contact a differentes elevations du tube. La mesure interne est delicate. De plus les tubes sont charges de catalyseur qui se presentent generalement sous la forme par exemple de pellet perce de plusieurs trous et de diametres proche de 15-20 mm et qui constituent un empilement aleatoire de particules solides au rein du tube. Le nombre de pellet au diametre est selon les dimensions donnees precedemment limite a environ 5 particules solides mais ce nombre peut evoluer en fonction de la dimension des pellets utilises. L'instrumentation utilisee pour mesurer cette temperature interne doit 2 etre peu encombrante pour ne pas perturber les ecoulements dans le tube et resistante aux conditions de temperature et d'atmosphere. De plus un gradient thermique important est present entre l'entree (>450°C) et la sortie (950°C) du tube. Le profil de gradient nest pas lineaire entre ces deux points puisqu'a cause de la reaction endothermique qui se produit 5 dans le tube et la limitation de transfert de chaleur entre la peau externe et interne de ce dernier, ce profil passe par un minimum qui en fonction des conditions operatoires et du type de four peut descendre jusqu'a 450°C dans les trois premiers metres. Partant de la, un probleme qui se pose est de fournir un moyen ameliore pour mesurer en continu de la temperature interne des tubes de reformage. 10 Une solution de la presente invention est un dispositif de mesure de la temperature interne d'un tube de reformage 1 comprenant : - une premiere structure 2 constituee d'au moins une partie 2a de forme tubulaire positionnee dans le sens de la longueur du tube et d'une expansion 2b de cette partie de forme tubulaire projetee radialement vers l'axe central 3 du tube de reformage, 15 - au moins une deuxierne structure 4 de forme oblongue comprenant au moins un thermocouple de conducteurs Nicrosil/Nisil soudes disposee longitudinalement contre la partie de forme tubulaire de la premiere structure et radialement contre l'expansion de la premiere structure et - une gaine externe 5 enveloppant la premiere et la seconde structure. De preference la gaine 20 externe est en materiau d'isolation electrique. Pour rappel le nicrosil est un alliage comprenant du nickel, du chrome (14 %) et du silicium (1,5 %) et le nisi) est un alliage comprenant du nickel, du silicium (4,5 %) et du magnesium (0,1 %). Le thermocouple Nicrosil/Nisil est tres stable, resistant a la temperature et a ses variations. 25 Par ailleurs notons que par « expansion projetee radialement » on entend une expansion se projetant en direction de l'axe central ou approximativement en direction de l'axe central du tube de reformage. De preference l'expansion de la premiere structure est projetee radialement en formant un Te. Le diametre de la partie de forme tubulaire de la premiere structure presentera par exemple 30 un diametre compris entre 6 et 10 mm pour un tube de reformage presentant un diametre interne compris entre 100 et 120 mm. De preference on appliquera un ratio diametre de la forme tubulaire de la premiere structure sur diametre interne du tube de reformage compris 3 entre 5% et 15%, plus preferentiellement compris entre 5% et 10%. Notons que le diametre de la partie de forme tubulaire dependra egalement du nombre de thermocouples de la deuxierne structure. L'expansion de la premiere structure pourra avoir le meme diametre que la partie de forme 5 tubulaire. Selon le cas, le dispositif de mesure selon l'invention peut presenter une ou plusieurs des caracteristiques suivantes : - les conducteurs sont soudes en une pointe 6 situee a l'extremite de ('expansion. - ledit dispositif comprend une structure en arc de cercle permettant de renforcer le maintien 10 du dispositif contre la paroi interne du tube de reformage. - la deuxierne structure est ligaturee 7 sur la premiere structure. - la premiere structure comprend au moins une premiere et une deuxierne expansions projetees radialement vers l'axe central du tube de reformage et situees a des hauteurs differentes du tube, la deuxierne structure comprend au moins un premier et un deuxierne 15 thermocouples de conducteurs Nicrosil/Nisil soudes disposees radialement contre respectivement la premiere et la deuxierne expansions de la premiere structure et longitudinalement contre la partie de forme tubulaire de la premiere structure. - l'espace restant entre la gaine externe, la premiere structure et la deuxierne structure est rempli par une brasure 8, de preference une brasure en argent. En effet, la brasure sera 20 compatible avec les conditions de pression, temperature et composition du gaz. - l'extremite superieure de la premiere structure est obturee. - ledit dispositif de mesure est constitue d'un seul bloc ou de plusieurs blocs raccordes. La presente invention a egalement pour objet un tube de reformage comprenant un dispositif de mesure de la temperature interne d'un tube de reformage tel que defini dans l'invention 25 et place contre la paroi interne du tube de reformage. Le dispositif de mesure est maintenu contre la paroi interne du tube de reformage a l'aide de l'arc de cercle puis par l'empilement de la charge catalytique. Notons que le fait de placer le dispositif de mesure de la temperature contre la paroi interne du reacteur permet de minimiser les perturbations au chargement du tube de reformage puis 30 lors de l'ecoulement des fluides. Selon le cas, le tube de reformage selon l'invention peut presenter une ou plusieurs des caracteristiques suivantes : 4 - ledit tube de reformage presente a son extremite superieure une plaque de fermeture 9 et le dispositif de mesure de la temperature est installe a travers cette plaque de fermeture. Autrement dit une partie du dispositif de mesure avec sa gaine debouche de la plaque de fermeture 5 - ledit dispositif de mesure est connecte a des moyens classiques d'acquisition et de stockage de donnees. - l'extremite de l'expansion de la premiere structure du dispositif de mesure est situee a une distance comprise entre 2 et 5 mm de l'axe central du tube de reformage. Notons egalement que la plaque d'entree du tube de reformage est pourvue d'une 10 canalisation vehiculant le mélange gazeux a reformer et la sortie est equipee d'un moyen de collecte de gaz de synthese La presente invention va a present etre decrite plus en detail. Chaque thermocouple sera chemise par une enveloppe metallique, de preference une enveloppe en Inconel, qui contiendra la paire de conducteurs. Le nombre de thermocouples 15 dependra du nombre de mesure a realiser. En effet, chaque pointe de thermocouple (point de soudage entre les deux conducteurs) sera a un emplacement unique le long du tube de reformage de maniere a former une pluralite de paires conductrices fournissant des indications de temperature aux emplacements longitudinaux uniques. Les thermocouples seront disposes longitudinalement contre la partie de forme tubulaire de 20 la premiere structure et radialement contre l'expansion de la premiere structure projetee radialement vers l'axe central du tube de reformage. Le dispositif disposera differentes altitudes d'expansion. Ces expansions seront constituees par exemple par un demi tube creux de faible diametre (ce diametre sera de 2 a 4 foil superieur a celui du thermocouple). II qui assurera une fonction de bouclier pour proteger le thermocouple au remplissage du tube et it 25 servira egalement de support pour fixer les thermocouples qui seront positionnes au-dessous de ces demi-tubes. Chaque thermocouple est ligature longitudinalement sur la partie tubulaire de la premiere structure et radialement sur l'expansion. Preferentiellement, la ligature sera realisee au moyen de fill ou de colliers compatibles avec les conditions operatoires. La nature de ces 30 ligatures sera preferentiellement en inconel. 5 On veillera egalement a ce que la pointe du thermocouple ne soit pas en contact avec ('expansion pour que la mesure soit representative du gaz, pour cela une perle ceramique pourra etre inseree et cercler l'extremite du thermocouple. Le diametre de la partie de forme tubulaire de la premiere structure sera determine en 5 fonction du nombre de thermocouples a placer. Les expansions de la premiere structure seront soudees sur la partie de forme tubulaire a differentes altitudes afin d'obtenir le profil de temperature du tube. Le dispositif peut etre propose en : - un monobloc mail sa longueur superieure ou egale a 10 m peut engendrer des contraintes 10 d'encombrement lors du transport et/ou de ('installation ; ou - en plusieurs blocs ou sections. Les differentes sections seront alors raboutees au cours de ('installation a l'aide d'une douille de raccordement permettant la jonction. Le positionnement du dispositif sera renforce par la mice en place a differentes altitudes d'arc de cercle metallique, preferentiellement en Inconel . Ces renforts vont rigidifier ('ensemble et 15 garantir le maintien en position du dispositif lors du chargement du tube de reformage avec le catalyseur et plus particulierement assurer que le thermocouple reste positionne au cceur du lit catalytique. Le dispositif traversera la plaque de fermeture a l'extremite superieure du tube de reformage. L'extremite superieure de la premiere structure du dispositif sera obturee. La base de la gaine 20 externe sera soudee sur la plaque de fermeture du tube de reformage. L'espace restant entre la gaine externe et la premiere structure (c'est-a-dire non occupe par la deuxierne structure) est rempli par une brasure compatible avec les conditions de pression, temperature et composition du gaz, par exemple une brasure en argent, afin d'etancher le systerne. En fonctionnement le tube de reformage est sous pression (par exemple 30 bar) en temperature 25 (superieure a 450°C) et avec une atmosphere combustible. En effet, ('atmosphere est generalement riche en CH4, CO et H2. L'etancheite du dispositif est capitale ; les fuites ne sont pas acceptables au regard du caractere inflammable et toxique du mélange gazeux present dans le tube. Ce dispositif sera rallonge au-dela de la plaque de fermeture, qui est a 250-300°C, pour deporter la zone a 30 etancher dans une zone moins chaude et moins contraignante pour le choix de la brasure. De cette zone vont emerger la pluralite de thermocouple. Les extremites des conducteurs seront rassemblees dans un boitier ATEX (c'est-a-dire un boitier compatible avec une atmosphere 6 explosive) prevu a cet effet, pour recuperer les signaux et les amplifier aux besoins pour les envoyer vers un systerne d'acquisition qui pourra se situer en salle de controle. Les figures vont illustrer le dispositif selon l'invention. La figure la montre le positionnement du dispositif de mesure de la temperature au rein du 5 tube de reformage. Le dispositif est plaque contre la peau interne du tube de reformage et la structure en arc de cercle est la pour garantir son maintien en position, notamment durant le remplissage du tube du catalyseur. La figure lb montre la facon dont l'empilement se cree autour du dispositif. En effet celui-ci a pour vocation de mesurer la temperature du gaz dans le lit catalytique sans creer de defaut 10 d'empilement qui pourrait engendrer un echauffement local de la temperature ou engendrer des phenomenes fluidiques autour du thermocouple qui conduirait a une mesure biaisee et non representative de la realite de la physique. Ce resultat est obtenu par simulation avec le logiciel DigiPac. Autour du dispositif des zones vides propices a une circulation preferentielle du gaz sont 15 observees. Cependant, it a ete montre que le risque de creation de points chauds est modere merne avec des vides plus importants. La figure 2 montre un profil de porosite le long du tube moyenne sur la section du tube. Ici l'expansion est situee a ('altitude z = 250 mm (z=0 etant pris a la hauteur de la sole du four). La perturbation contribue a augmenter localement la porosite d'environ 10%. Cette zone perturbee se situe au niveau de l'expansion et sous 20 l'expansion. Au regard des variations de porosite provenant de la nature aleatoire de l'empilement (+/- 5%) ce defaut de porosite ne sera pas en mesure de generer des effets indesirables qui viendrait entacher d'erreur de mesure de temperature. Autrement dit, nous pouvons considerer que l'empilement des catalyseurs dans le tube de reformage comprenant le dispositif de mesure de la temperature selon l'invention est bon. 25 La figure 3 presente une vue de dessus du dispositif de mesure de la temperature. La figure 4 schematise une vue de cote du tube de reformage avec le dispositif de mesure. Pour une meilleure visibilite la gaine externe n'a pas ete representee et seule une portion du tube de reformage a ete representee. Sont representes : - le tube de reformage 1 30 - la premiere structure 2 constituee d'au moins une partie 2a de forme tubulaire positionnee dans le sens de la longueur du tube et d'une expansion 2b de cette partie de forme tubulaire projetee radialement vers l'axe central 3 du tube de reformage, 7 - la deuxieme structure 4 de forme oblongue comprenant au moins un thermocouple de conducteurs Nicrosil/Nisil soudes disposee longitudinalement contre la partie de forme tubulaire de la premiere structure et radialement contre l'expansion de la premiere structure, - les ligatures 7 5 - la pointe 6 ob sont soudes les conducteurs, et - la plaque de fermeture 9 du tube de reformage. Notons que l'expansion REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure de la temperature interne d'un tube de reformage (1) comprenant : - une premiere structure (2) constituee d'au moins une partie (2a) de forme tubulaire positionnee dans le sens de la longueur du tube et d'une expansion (2b) de cette partie de forme tubulaire projetee radialement vers l'axe central (3) du tube de reformage, - au moins une deuxierne structure (4) de forme oblongue comprenant au moins un thermocouple de conducteurs Nicrosil/Nisil soudes disposee longitudinalement contre la partie de forme tubulaire de la premiere structure et radialement contre l'expansion de la premiere structure et - une gaine externe (5) enveloppant la premiere et la seconde structure. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que les conducteurs sont soudes en une pointe (6) situee a l'extremite de l'expansion. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caracterise en ce que ledit dispositif comprend une structure en arc de cercle permettant de renforcer le maintien du dispositif contre la paroi interne du tube de reformage. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 3, caracterise en ce que la deuxierne structure est ligaturee (7) sur la premiere structure. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 4, caracterise en ce que : - la premiere structure comprend au moins une premiere et une deuxierne expansions projetees radialement vers l'axe central du tube de reformage et situees a des hauteurs differentes du tube, - la deuxierne structure comprend au moins un premier et un deuxierne thermocouples de conducteurs Nicrosil/Nisil soudes disposees radialement contre respectivement la premiere et la deuxierne expansions de la premiere structure et longitudinalement contre la partie de forme tubulaire de la premiere structure. 9 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 5, caracterise en ce que l'espace restant entre la gaine externe, la premiere structure et la deuxierne structure est rempli par une brasure (8). 5 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 6, caracterise en ce que l'extremite superieure de la premiere structure est obturee. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 a 7, caracterise en ce que ledit dispositif de 10 mesure est constitue d'un seul bloc ou de plusieurs blocs raccordes. 9. Tube de reformage comprenant un dispositif de mesure de la temperature interne d'un tube de reformage tel que defini dans l'une des revendications 1 a 8 place contre la paroi interne du tube de reformage. 15 10. Tube de reformage selon la revendication 9, caracterise en ce que ledit tube de reformage presente a son extremite superieure une plaque de fermeture (9) et le dispositif de mesure de la temperature est installe a travers cette plaque de fermeture. 20 11. Tube de reformage selon la revendication 10, caracterise en ce que ledit dispositif de mesure est connecte a des moyens classiques d'acquisition et de stockage de donnees. 12. Tube de reformage selon l'une des revendications 9 a 11, caracterise en ce que l'extremite de ('expansion de la premiere structure du dispositif de mesure est situee a une distance 25 comprise entre 2 et 5 mm de l'axe central du tube de reformage.