Brevet FR3096766A1 — publié le 20201204

Description Titre de l'invention : tube comprenant au moins un segment torsadé à section elliptique ou lobée pour un four de vapocraquage Domaine technique [0001] La présente invention concerne le domaine des tubes pour fours de vapocraquage. Elle concerne en particulier un tube comprenant un segment torsadé à section elliptique ou lobée. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION [0002] L'amélioration des performances d'échange thermique dans les tubes de fours de va- pocraquage est une préoccupation majeure. Les fours de vapocraquage sont en général constitués d'un assemblage de tubes reliés entre eux par des coudes comme illustré sur la figure 1. Le design de cet assemblage de tubes peut bien-sûr varier selon différents critères, celui de la figure 1 n'étant présenté qu'à titre d'exemple. Le fluide (par exemple, éthane, naphta, etc.) et de la vapeur d'eau circulent dans cet assemblage de tubes et sont portés à hautes températures afin de déclencher une réaction de vapocraquage. Pour une température de la paroi intérieure des tubes donnée, plus les échanges thermiques entre ladite paroi et le fluide sont importants et plus le rendement de la réaction est élevé. [0003] Cependant, des réactions parasites sont à l'origine du dépôt d'une couche de coke sur la paroi intérieure de l'assemblage de tubes. L'épaisseur de cette couche augmente au cours du temps, ce qui encrasse les tubes, diminue les transferts thermiques entre la paroi de l'assemblage de tubes et le fluide en écoulement et augmente les pertes de charge. [0004] La cinétique de formation du coke dépend en partie de la température de la paroi in- térieure des tubes. 11 y a donc intérêt à limiter la température cl' utilisation (pour limiter le cokage), mais en parallèle d'augmenter les performances d'échange thermique entre tubes et fluide pour obtenir un rendement important de la réaction de vapocraquage. 100051 Des solutions mettant en oeuvre un écoulement tourbillonnant (« swirling flow » selon la terminologie anglo-saxonne) ont ainsi été proposées car un tel écoulement présente l'avantage d'augmenter les échanges thermiques entre le fluide et les parois intérieures de l'assemblage de tubes. En effet, un écoulement tourbillonnant perturbe la couche limite qui s'établit classiquement le long de parois lisses cylindriques et qui affecte négativement l'échange de chaleur. Par ailleurs, les contraintes pariétales liées à un écoulement. tourbillonnant sont favorables au décollement de la couche de coke. Notons néanmoins qu'un écoulement tourbillonnant est à l'origine de pertes de charge (une plus forte pression d'entrée du fluide est requise), ce qui est défavorable au 2 rendement de la réaction de vapocraquage. [0006] Le document EP1561795 propose un assemblage de tubes dont la paroi intérieure comporte des ailettes agencées de manière discrète sur une trajectoire hélicoïdale. Le document US2005/0131263 propose une technologie de tubes présentant des ailettes internes suivant une trajectoire hélicoïdale. Ces deux approches procurent un niveau performant d'échanges thermiques entre le fluide et l'assemblage de tubes, mais au prix de grandes pertes de charge, accrues par l'augmentation des surfaces de contact entre le tube et le fluide. [0007] Le document US7749462 divulgue un assemblage de tubes de section circulaire dont l'axe suit un chemin hélicoïdal de faible amplitude. Cette solution favorable aux échanges thermiques présente l'inconvénient d'un encombrement plus élevé qu'un tube classique et reste complexe en termes de fabrication. [0008] Le document US6530422 propose d'insérer dans l'assemblage de tubes une pale torsadée sur une longueur donnée dudit assemblage. Cela permet de limiter les pertes de charge, mais les performances d'amélioration d'échange thermique restent limitées ; de plus, cette pale engendre de fortes contraintes mécaniques sur le tube ducs à la dilatation thermique et mène à l'endommagement en service. OBJET DE L'INVENTION [0009] La présente invention propose une solution alternative aux solutions de l'état de la technique. L'invention concerne un tube de section circulaire, comprenant au moins un segment tubulaire torsadé à section elliptique ou lobée, lequel segment présente un rapport d'aspect et un pas hélicoïdal définis. Des parties extrémales de transition géométrique entre des segments de tube circulaire et le segment torsadé sont présentes, de manière à favoriser les échanges thermiques tout en limitant les pertes de charges. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION [0010] L'invention concerne un tube pour un four de vapocraquage comprenant : [0011] - au moins un segment tubulaire aval de section circulaire présentant un diamètre principal, [0012] - au moins un segment tubulaire torsadé présentant une longueur inférieure à un quart de la longueur du tube, et comportant : [0013] - une partie centrale de section elliptique ou lobée, présentant un pas hélicoïdal compris entre cinq fois et dix fois le diamètre principal, et un rapport d'aspect de la section elliptique ou lobée compris entre 0,5 et 0,8, [0014] - une partie de transition amont établissant une transition géométrique entre la partie centrale et un segment tubulaire de section circulaire, [0015] - une partie de transition aval établissant une transition géométrique entre la partie centrale et le segment tubulaire aval. 3 100161 Un fluide est destiné à s'écouler dans le tube, dans la direction allant de la partie de transition amont vers la partie de transition aval. [0017] Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toutes combinaisons techniquement réalisables : le rapport d'aspect de la section elliptique ou lobée est compris entre 0,6 et 0,7 ; les parties de transition amont et/ou aval présentent une longueur comprise entre la valeur du pas hélicoïdal et le quart de la valeur dudit pas ; la partie de transition amont et/ou la partie de transition aval établit(ssent) une transition en rotation respectivement entre la partie centrale et un segment tubulaire de section circulaire, et entre la partie centrale et le segment tubulaire aval ; la partie de transition amont et/ou la partie de transition aval établit(ssent) une transition linéaire en rotation respectivement entre la partie centrale et un segment tubulaire de section circulaire, et entre la partie centrale et le segment tubulaire aval ; le segment tubulaire torsadé présente une longueur comprise entre cinq fois le diamètre principal et vingt fois le diamètre principal ; le tube comprend au moins un segment tubulaire amont, de section circulaire présentant le diamètre principal, relié à la partie de transition amont du segment tubulaire torsadé ; un segment tubulaire torsadé est présent pour chaque tronçon du tube présentant une longueur de l'ordre de cent fois le diamètre principal ; le tube présente un coude au niveau duquel au moins un segment tubulaire torsadé est présent ; un segment tubulaire torsadé est disposé à chaque extrémité du coude ; l'aire de la section du segment tubulaire torsadé est sensiblement égale à l'aire de la section circulaire du segment tubulaire aval. Brève description des dessins [0018] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles : [0019] [fig.1] La figure 1 présente un exemple d'assemblage de tubes pour un four de vapo- craquage selon l'état de la technique. [0020] [fig.2a] [0021] [fig.2b] [0022] [fig.2c] Les figures 2a, 2b et 2c présentent des exemples de tubes conformes à l'invention, en vue 3D (figure 2a) ou en vues schématiques (figures 2b, 2c). 100231 Ifig.31 La figure 3 présente une illustration de l'évolution en rotation de la section d'un segment tubulaire torsadé, compris dans un tube conforme à l'invention. [0024] [fig.4] La figure 4 présente différents exemples de sections elliptique et lobées pour un segment tubulaire torsadé, compris dans un tube conforme à l'invention. [0025] [Taft 1] Le tableau 1 présente des résultats de simulations pour des exemples de tubes conformes à la présente invention, relatifs à l'amélioration des transferts thermiques et à l'augmentation des pertes de charge par rapport à un tube de référence, ainsi qu'à l'intensité de l'écoulement tourbillonnant. Description des modes de réalisation [0026] Dans la partie descriptive, les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même type. Les figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas nécessairement à l'échelle. [0027] La présente invention concerne un tube 100 pour un four de vapocraquage. Un tel tube 100 peut présenter différents designs, notamment incluant des tronçons rectilignes et des tronçons courbés, de manière à relier une entrée de fluide E à une sortie de fluide S. Le tube 100 présente une longueur totale L, typiquement entre rentrée de fluide Ef et la sortie de fluide Sf. Notons qu'une pluralité de tubes 100 pourra être utilisée pour former un assemblage de tubes 200 dont un exemple de design est illustré en figure 1. Un tube 100 selon l'invention est avantageusement formé dans un acier résistant à hautes températures et son épaisseur est comprise entre 5 et 15mm. [0028] Lc tube 100 selon l'invention comprend au moins un segment tubulaire aval 30, de section circulaire présentant un diamètre principal D interne (figures 2a, 2h). [0029] Avantageusement, le tube 100 comprend également au moins un segment tubulaire amont 10, de section circulaire présentant le même diamètre principal D interne que le segment tubulaire aval 30. Les terminologies « amont » et « aval » sont utilisées ici pour traduire le sens d'écoulement du fluide dans le tube 100 : ledit fluide est destiné à s'écouler depuis le (au moins un) segment amont 10 vers le (au moins un) segment aval 30. A titre d'exemple, le diamètre principal D interne pourra être compris entre 40 et 200mm. [0030] Notons qu'au niveau de l'entrée du fluide EH le tube 100 pourrait ne pas comprendre de segment tubulaire amont 10 tel que représenté sur les figures 2a et 2b, mais avoir le segment tubulaire torsadé 20 (le plus proche de l'entrée Er) directement raccordé à un segment tubulaire de section circulaire, externe au tube 100, aménagé dans le four de vapocraquage pour l'arrivée du fluide. [0031] Le tube 100 comprend en outre au moins un segment tubulaire torsadé 20, situé avant le segment tubulaire aval 30 du tube 100 et après le segment tubulaire amont 10 lorsqu'il est présent (figure 2a). Par segment tubulaire torsadé, on entend un segment qui partage le même axe central que les segments tubulaires amont 10 et aval 30 du tube 100, mais dont la section non circulaire évolue le long du segment selon une rotation. Dans l'exemple de la figure 3, le segment tubulaire torsadé 20 présente une section elliptique. [0032] Le segment tubulaire torsadé 20 comprend en particulier une partie centrale 22 présentant une section elliptique ou lobée, dont des exemples sont présentés en figure 4. Quelle que soit la section elliptique ou lobée, le pas hélicoïdal P est défini comme la distance nécessaire pour qu'une section initiale (à une extrémité de la partie centrale 22) effectue unc rotation de 360° (figure 3). Le pas hélicoïdal P de la partie centrale 22 traduit donc la torsion qui a été introduite dans le segment tubulaire torsadé 20, au niveau de ladite partie centrale 22 : une forte intensité de torsion correspond à un pas hélicoïdal petit, une faible intensité de torsion correspond à un grand pas hélicoïdal. Selon la présente invention, le pas hélicoïdal P de la partie centrale 22 du segment tubulaire torsadé 20 est compris entre cinq fois et dix fois le diamètre principal D de la section circulaire du tube 100: 5D .e.66kkr.e.ed 66.6764n,nan I de,:ep 1 Rd R. .0 ^.k.. k1/4. 6',. keeTuYl Ye,..." pi,..1 t - likre .R"1d.8$3ka' n6 FIA , a6 R n - ire; 44% e,tYAMO e .RA s 0.6 R e 6'0 % ,.. z. e46L-c.e.s. ,n ^fls. --e-( tII s4e 4 ' 4 [0064] Rappelons que le but recherché est d'améliorer les transferts thcr niques, de limiter au mieux l'augmentation des pertes de charge par rapport au tube de référence, et d'obtenir une intensité de rotation de l'écoulement tourbillonnant aussi grande que possible et en particulier aussi proche que possible de 10%, voire supérieure. [0065] Les tubes référencés #1, #2 et #3 selon l'invention, comprennent un segment torsadé 20 de longueur 20D, avec une partie centrale 22 de section elliptique et des parties de transition amont 21 et aval 23 établissant une transition géométrique respectivement avec les segments tubulaires amont 10 et aval 30. Les pas hélicoïdaux et les rapports d'aspect des tubes #1, #2 et #3 sont indiqués dans le tableau 1. [0066] Ces trois exemples de tubes permettent d'améliorer les transferts thermiques entre 13% et 22% par rapport à un tube classique de section totalement circulaire. Un pas hélicoïdal P plus petit (pour un même rapport d'aspect RA) favorise l'augmentation des transferts thermiques et l'intensité de l'écoulement tourbillonnant (tube #2 versus tube #1) ; en parallèle, cela augmente aussi significativement les pertes de charge. En augmentant le rapport d'aspect RA, on arrive à limiter l'augmentation des pertes de charges, tout en conservant un niveau correct d'amélioration des transferts thermiques et une intensité de l'écoulement tourbillonnant proche de 10% (tube #3 versus tube #2). [0067] Les tubes #4, #5, #6, selon des modes préférés de l'invention, comprennent un segment torsadé 20 de longueur 20D, avec une partie centrale 22 de section elliptique et des parties de transition amont 21 et aval 23 établissant une transition linéaire en rotation respectivement avec les segments tubulaires amont 10 et aval 30. Les pas hélicoïdaux, les rapports d'aspect et les longueurs des parties de transition (amont 21 et aval 23 identiques) des tubes #4, #5 et #6 sont indiqués dans le tableau 1. [0068] L'utilisation de parties de transition amont 21 et aval 23 en rotation a un effet très bénéfique à la fois sur les transferts thermiques qui affichent une augmentation plus importante et sur les pertes de charge dont l'augmentation est plus limitée que dans le cas d'une transition uniquement géométrique (tubes #4,5,6 vs tube #2). L'intensité de l'écoulement tourbillonnant entre 11% et 12% est également améliorée. [0069] Le segment torsadé 20 muni de parties de transition amont 21 et aval 23 est donc par- ticulièrement favorable à l'obtention de bonnes performances énergétiques. [0070] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre et exemples décrits, et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications. 11 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] REVENDICATIONSTube (100) pour un four de vapocraquage comprenant : - au moins un segment tubulairc aval (30) de section circulaire présentant un diamètre principal (D), - au moins un segment tubulairc torsadé (20) présentant une longueur inférieure à un quart de la longueur du tube (100), et comportant : - une partie centrale (22) de section elliptique ou lobée, présentant un pas hélicoïdal (P) compris entre cinq fois et dix fois le diamètre principal (D), et un rapport d'aspect (RA) de la section elliptique ou lobée commis entre 0,5 et 0,8, - une partie de transition amont (21) établissant une transition géométrique entre la partie centrale (22) et un segment tubulaire de section circulaire, - une partie de transition aval (23) établissant une transition géométrique entre la partie centrale (22) et le segment tubulaire aval (30), un fluide étant destiné à s'écouler de la partie de transition amont (21) vers la partie de transition aval (23). Tube (100) pour un four de vapocraquage selon la revendication précédente, dans lequel le rapport d'aspect (RA) de la section elliptique ou lobée est compris entre 0,6 et 0,7. Tube (100) pour un four de vapocraquage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les parties de transition amont (21) et/ou aval (23) présentent une longueur comprise entre la valeur du pas hélicoïdal (P) et le quart de la valeur dudit pas (P). Tube (100) pour un four de vapocraquage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la partie de transition amont (21) et/ou la partie de transition aval (23) établit(ssent) une transition en rotation respectivement entre la partie centrale (22) et un segment tubulaire de section circulaire, et entre la partie centrale (22) et le segment tubulaire aval (30). Tube (100) pour un four de vapocraquage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la partie de transition amont (21) et/ou la partie de transition aval (23) établit(ssent) une transition linéaire en rotation respectivement entre la partie centrale (22) et un segment tubulaire de section circulaire, et entre la partie centrale (22) et le segment tubulaire aval (30). Tube (100) pour un four de vapocraquage selon l'une des revendications 12 [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] précédentes, dans lequel le segment tubulaire torsadé (20) présente une longueur comprise entre cinq fois le diamètre principal (D) et vingt fois le diamètre principal (D). Tube (100) pour un four de vapocraquage selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins un segment tubulaire amont (10), de section circulaire présentant le diamètre principal (D), relié à la partie de transition amont (21) du segment tubulaire torsadé (20). Tube (100) pour four de vapocraquage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel un segment tubulaire torsadé (20) est présent pour chaque tronçon du tube présentant une longueur de l'ordre de cent fois le diamètre principal (D). Tube (100) pour four de vapocraquage selon l'une des revendications précédentes, présentant un coude au niveau duquel au moins un segment tubulaire torsadé (20) est présent. Tube (100) pour four de vapocraquage selon la revendication précédente, dans lequel un segment tubulaire torsadé (20) est disposé à chaque extrémité du coude. Tube (100) pour four de vapocraquage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'aire de la section du segment tubulaire torsadé (20) est sensiblement égale à l'aire de la section circulaire du segment tubulaire aval (30).