CA2207810A1 - Procede et dispositif de mise en vibration d'un conduit dans une enceinte thermique - Google Patents

Abstract

La présente invention a pour objet un procédé et un appareillage de traitement thermique de matières ou produits fluides, gazeux ou liquides, s'écoulant dans un conduit. L'invention s'applique à un procédé de traitement thermique d'un ou plusieurs fluide(s) s'écoulant dans un conduit (4) qui comporte au moins un tronçon (5, 6, 7, 8) rectiligne s'étendant selon un axe longitudinal (25, 26, 27, 28), lequel conduit est disposé en partie au moins dans une enceinte thermique (1), procédé dans lequel on provoque une vibration transversale du conduit produite par un vibrateur mécanique (20) disposé à l'extérieur de l'enceinte thermique, pour réduire ou éviter un dépôt de particules solides sur la paroi interne dudit conduit; selon l'invention, on transmet ladite vibration par l'intermédiaire d'un appendice (14, 50, 60) faisant partie d'un moyen mécanique de support ou de guidage dudit conduit ou bien d'un instrument de mesure fixé audit conduit, et les vibrations sont appliquées en exerçant un effort selon une direction (33) sensiblement transversale ou radiale par référence audit axe longitudinal.

Description

Procédé et dispositif de mise en vibration d'un conduit dans une enceinte thermique.

La présente invention a pour objet un procédé et un appareillage s de traitement thermique de matières ou produits fluides, gazeux ou liquides, s'écoulant dans un conduit.
Le secteur technique de l ' invention concerne les traitements thermiques en général, ceux mettant en oeuvre aussi bien un chauffage qu'un refroidissement et comprenant une réaction chimique ou non.
lo Des matières ou produits fluides soumis à des traitements thermiques sont susceptibles de former des dépôts sur la paroi interne d'un conduit dans lequel ils s'écoulent pendant leur traitement. Ceci peut se produire par exemple lors du vapocraquage d'hydrocarbures pour fabriquer des oléfines, ou lors du craquage du 1~2-dichloroéthane pour fabriquer le chlorure de vinyle, ou encore dans des échangeurs de chaleur, par exemple des refroidisseurs.
Il est connu selon la demande internationale N~ WO 92/11931 (NAPHTACHIMIE S.A.) un procédé de fabrication de produits chimiques dans lequel on fait circuler un ou plusieurs réactifs à
l'intérieur d'un tube disposé dans une zone de radiation d'un four, et dans lequel une partie au moins du tube est soumise à une vibration afin de limiter les dépôts de sous-produits de la réaction tels que le coke, sur la paroi interne du tube. Cette demande de brevet propose de provoquer une vibration transversale du tube à une fréquence comprise entre 50 et

2 000 Hertz, par un générateur de vibrations mécaniques disposé à
l'intérieur ou à l'extérieur de la zone de radiation du four et relié au tube par l'intermédiaire d'une liaison mécanique.
Ce document décrit également un four, tel qu'un four de vapocraquage, comportant une enceinte thermique de radiation, munie 30 de brûleurs, à l'intérieur de laquelle est disposé un tube de craquage en forme de serpentin, constitué d'une succession de sections droites (c'est-à-dire de tronçons rectilignes) reliées entre elles par des coudes; le four est muni d'un moyen d'excitation susceptible de générer une vibration d'au moins une partie du tube qui peut être constitué par un générateur de vibrations mécaniques, relié au tube par une liaison mécanique.
La demande de brevet JP-A-59-001999 (MITSUBISHI JU-KOGYO) décrit un procédé de soufflage de suie pour économiseur à fumées des chaudières principales et auxiliaires des navires et des chaudières terrestres, dans lequel la suie déposée à la surface externe des éléments tubulaires d'un économiseur à fumées est éliminée par vibration forcée desdits éléments tubulaires.
L'économiseur est constitué par plusieurs rangées d'éléments o tubulaires en forme de serpentin supportées par des plaques tubulaires et un étançon.
Une tige est fixée par l'une de ses extrémités à une plaque tubulaire du tube de chauffage, et raccordée par son autre extrémité à
une machine vibrante; on fait vibrer le tube de chauffage en actionnant la machine vibrante.
La présente invention a pour objet de proposer un procédé de traitement thermique de fluides s'écoulant dans un conduit disposé dans une enceinte thermique (telle qu'une enceinte de radiation d'un four équipée de brûleurs), dans lequel on fait vibrer le conduit, et un dispositif correspondant, qui soient améliorés.
La présente invention a plus particulièrement pour objectif de proposer un procédé et un appareillage de mise en vibration effective d'un tube ou conduit qui est disposé dans une enceinte thermique et dans lequel s'écoule un fluide, procédé et appareillage qui soient compatibles avec des contraintes thermiques pouvant être élevées dues à
des températures très élevées régnant dans 1 ' enceinte thermique (pouvant aller jusqu'à 1 000 ~ C ou 1 500 ~ C), et qui soient à la fois simples, fiables, répondant aux normes de sécurité et avec une longue durée de vie, c'est-à-dire susceptibles d'être mis en oeuvre 30 industriellement à un coût réduit tout en étant dotés d'une robustesse, fiabilité et sûreté suffisantes, compte tenu du caractère continu des opérations de traitement thermique et des risques d'explosion en cas de rupture mécanique du conduit.

Selon un premier aspect, la solution au problème posé consiste à
proposer un procédé de mise en vibration d'un conduit pour réduire ou éviter un dépôt de particules solides sur la paroi interne dudit conduit dans lequel s'écoulent un ou plusieurs fluides, lequel conduit est disposé
5 en partie au moins dans une enceinte thermique (pour le traitement thermique dudit ou desdits fluides), procédé dans lequel on applique au conduit une vibration transversale (ou de flexion) produite par un vibrateur mécanique qui est disposé à l'extérieur de l'enceinte thermique, dans lequel on transmet ladite vibration (dudit vibrateur o audit conduit) par l'intermédiaire d'un appendice (ou accessoire ou organe proéminent dudit conduit) faisant partie d'un moyen mécanique de support ou de guidage dudit conduit ou bien d'un instrument de mesure (notamment de mesure de pression ou de température dudit ou desdits fluides) fixé audit conduit; les vibrations transversales d'une portion rectiligne du conduit résultent d'un effort exercé par le vibrateur selon une direction sensiblement transversale ou radiale par référence à l'axe longitudinal d'un tronçon rectiligne du conduit.
Selon un autre aspect, l'invention s'applique à un procédé de traitement thermique d'un ou plusieurs fluide(s) s'écoulant dans un conduit qui comporte au moins un tronçon rectiligne s'étendant selon un axe longitudinal, lequel conduit est disposé en partie au moins dans une enceinte thermique, procédé dans lequel on provoque une vibration transversale du conduit produite par un vibrateur mécanique disposé à
l'extérieur de l'enceinte thermique, pour réduire ou éviter un dépôt de particules solides sur la paroi interne dudit conduit; selon l'invention, on transmet ladite vibration par l'intermédiaire d'un appendice faisant partie d'un moyen mécanique de support ou de guidage dudit conduit ou bien d'un instrument de mesure fixé audit conduit, et les vibrations sont appliquées en exerçant un effort selon une direction sensiblement 30 transversale ou radiale par référence audit axe longitudinal.
Il a été trouvé que d'une façon surprenante, il est possible d'appliquer (et de transmettre) la vibration au conduit par un appendice équipant le conduit alors que selon un préjugé généralement répandu, il est recommandé d'éviter de mettre en vibration de tels conduits;
conformément à l'invention, on utilise un appendice servant de moyen de mesure ou de contrôle de la température ou de la pression du ou des fluides s'écoulant dans le conduit, ou bien faisant partie d'un moyen mécanique de support ou de guidage dudit conduit, sans qu'il soit nécessaire de modifier l'appendice pour l'adapter à sa nouvelle fonction de transmission des vibrations.
L'appendice utilisé peut être disposé en n'importe quel point du conduit ou d'un tronçon rectiligne de tube ou d'un coude, de préférence lo au voisinage d'une extrémité d'un tronçon rectiligne de tube (du conduit), ou plus particulièrement sur un coude ou un tronçon curviligne de tube; dans ce cas particulièrement, il a été constaté que, de façon surprenante, il est possible d'obtenir une vibration, de préférence transversale (c'est-à-dire de flexion d'un tronçon rectiligne (de tube) du conduit) suffisamment efficace pour limiter les dépôts sur la paroi interne du conduit, en appliquant les vibrations (qui sont générées par le vibrateur et transmises au conduit par un moyen de liaison mécanique) à l'extrémité de ce tronçon rectiligne, alors que cette extrémité correspond normalement à un noeud de vibration, pour ce qui concerne notamment les modes de vibration transversale de ce tronçon, et que par conséquent, il paraît défavorable d'exciter le tronçon rectiligne au voisinage de son extrémité.
De préférence, le vibrateur exerce un effort linéaire ou axial, c'est-à-dire dirigé selon un axe (ou direction) dit principal, qui est invariable dans le temps; à cet effet, le vibrateur peut comporter un noyau ou masselotte, montée mobile en translation linéaire (selon ledit axe principal) sur deux paliers alignés, et mue par l'action d'un champ électromagnétique périodique et alternatif; ce type préféré de vibrateur électromagnétique peut être choisi parmi ceux proposés par la Société
30 BINDER MAGNETE GMBH (Monchweilerstrasse 1, Postfach 1220, D.7730 Villingen-Schwenningen, Allemagne).
Conformément à un aspect de l'invention, l'axe principal selon lequel l'effort est exercé, peut être situé dans un plan sensiblement incliné par rapport à l'axe longitudinal du tronçon rectiligne à faire vibrer, d'un angle supérieur à 45~ et inférieur à 135~, de préférence compris entre 60~ et 120~, notamment voisin de 90~, c'est-à-dire sensiblement perpendiculaire; ledit axe principal peut s'étendre radialement, c'est-à-dire peut couper ledit axe longitudinal en un point d' intersection .
Selon un autre aspect, l'invention consiste en un dispositif de traitement thermique d'un ou plusieurs fluides qui comporte:
- une enceinte thermique, - un conduit dans lequel ledit ou lesdits fluides s'écoulent, qui s'étend en partie au moins à l'intérieur de ladite enceinte, et qui comporte un tronçon rectiligne s'étendant selon un axe longitudinal, - un vibrateur mécanique disposé à l'extérieur de l'enceinte thermlque, - un moyen de liaison mécanique reliant ledit conduit audit vibrateur, dispositif dans lequel ledit moyen de liaison mécanique servant à
transmettre les vibrations, comporte un appendice proéminent du conduit, lequel appendice fait partie d'un moyen mécanique de support 20 OU de guidage dudit conduit ou bien d'un instrument de mesure fixé
audit conduit, et l'axe selon lequel ledit vibrateur exerce son effort sur ledit moyen de liaison mécanique, est disposé sensiblement transversalement, par exemple radialement, à l'axe longitudinal du tronçon rectiligne.
Selon des modes préférentiels de réalisation de l'invention:
- l'appendice est fixé et/ou intégré à une partie du conduit qui est disposée à l'intérieur de l'enceinte thermique;
- ledit appendice est essentiellement constitué par une ou plusieurs pièces métallique(s) fixée(s) rigidement et de manière 30 inamovible à une ou plusieurs parois dudit conduit, de préférence soudée à une paroi dudit conduit ou bien constituant une seule pièce (par exemple par moulage) avec une partie des parois dudit conduit, lequel appendice est de préférence de forme allongée, par exemple essentiellement constitué par un tronçon de tube (creux) ou de barre(pleine);
- ledit vibrateur est (mécaniquement) relié directement audit appendice, ou bien ledit vibrateur est (mécaniquement) relié
5 indirectement à un ou plusieurs appendice(s) par l'intermédiaire d'un connecteur (essentiellement constitué par une structure métallique rigide) apte à transmettre ladite vibration;
- ledit vibrateur est fixé de manière amovible audit connecteur ou audit appendice, par exemple par au moins une vis ou un boulon;
lo - on utilise un vibrateur électromagnétique alimenté par une source d'énergie électrique à fréquence variable (telle qu'un variateur de fréquence et de tension);
- on applique des vibrations audit conduit à une fréquence inférieure à 1000 hertz, de préférence comprise entre 10 et 500 hertz 15 (notamment entre 20 et 200 Hertz, particulièrement entre 20 et 60 hertz);
- ledit vibrateur exerce un effort (linéaire) périodique dont la fréquence est sensiblement égale (à plus ou moins 15 % près, de préférence à plus ou moins 5 % près) à une fréquence propre de 20 résonance correspondant à un rnode de vibration transversale dudit tronçon rectiligne.
Le vibrateur exerce sur l'appendice, directement ou bien par l'intermédiaire d'un connecteur, un effort (ou force) variable dans le temps, de préférence périodique et alternatif, pour provoquer un 25 mouvement (ou déplacement) de l'appendice, le cas échéant du connecteur (c'est-à-dire de la structure de transmission des vibrations), et du tronçon rectiligne du conduit, variable dans le temps et de valeur moyenne nulle (c'est-à-dire périodique); cette mise en vibration transversale du conduit provoque une déformation transversale ou de 30 flexion des parties allongées (par exemple tubulaires) rectilignes du conduit, c'est-à-dire d'au moins un tronçon rectiligne (de tube) du conduit .
Selon d'autres modes préférentiels de réalisation de l'invention:

- le dispositif suivant l'invention comporte plusieurs vibrateurs respectivement fixés ou reliés à un ou plusieurs appendice(s) dudit co nduit;
- ledit vibrateur mécanique est fixé audit connecteur ou audit appendice par des moyens d'orientation qui permettent une orientation de l'axe d'application de la vibration et/ou de l'effort alternatif généré
par le vibrateur mécanique; ledit vibrateur est suspendu audit connecteur ou audit appendice, et la masse dudit vibrateur est inférieure ou égale à 20 kg; le vibrateur peut être disposé à une faible distance lo d'un orifice prévu dans une paroi de l'enceinte thermique et au travers duquel s'étend ledit appendice;
- ledit vibrateur est fixé rigidement audit appendice et de sorte que son axe principal d'application d'effort soit disposé sensiblement transversalement ou radialement par référence à l'axe longitudinal de l'appendice, notamment lorsque ledit appendice est allongé et s'étend sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal d'un tronçon rectiligne de tube faisant partie dudit conduit;
- ledit appendice est fixé ou incorporé à un coude (de préférence à
90 ou 180 degrés) faisant partie dudit conduit;
- ledit appendice est essentiellement constitué par une tige, une plaque ou un tube s'étendant au travers d'un orifice prévu dans une paroi faisant partie des moyens délimitant l'enceinte thermique, lequel appendice est fixé ou intégré à un coude disposé à une extrémité d'un tronçon rectiligne de tube dudit conduit; ledit tronçon rectiligne de tube et ledit appendice s'étendent sensiblement parallèlement et selon une direction horizontale ou verticale;
- la plus grande dimension (ou longueur) dudit appendice est inférieure ou égale à deux mètres, par exemple voisine de 0,1 mètre à
1,0 mètre, et la plus grande dimension (ou longueur) dudit connecteur 30 est inférieure ou égale à deux mètres, par exemple voisine de 0,1 mètre à
1,0 mètre;
- la première fréquence propre de résonance (c'est-à-dire la fréquence la plus basse) correspondant au premier mode propre de déformation naturelle de la liaison mécanique (ou connecteur) est supérieure (de préférence d'au moins 20 ou 30 %) à la première fréquence propre de déformation (transversale) de la portion rectiligne du conduit; à titre d'exemple, pour permettre une excitation du 5 conduit à une fréquence propre de celui-ci qui est voisine de 40 Hz, on vérifiera qu'aucune fréquence propre de résonance de la liaison mécanique ne se situe en-dessous de 50 Hz, de préférence en-dessous de 60 ou 70 Hz et on règle la fréquence des vibrations générées par le vibrateur à une valeur voisine de 35 à 45 Hz;
0 De façon générale, l'invention s'applique aux procédés et dispositifs dans lesquels des fluides sont susceptibles de provoquer des dépôts solides sous l'effet d'un chauffage, d'un refroidissement ou d'une réaction chimique.
L'écoulement du ou des fluides dans le conduit peut être réalisé
5 avant ou après, ou de préférence pendant la mise en vibration du conduit; ledit (ou lesdits) fluide(s) peut (peuvent) être un (des) réactif(s) chimique(s) soumis à une réaction chimique dans ledit conduit; dans ce cas, l'enceinte thermique peut être un four ou même un échangeur thermique dans lequel est disposé un conduit (un tube) dans lequel se déroule une réaction chimique.
Le vibrateur mécanique peut être directement ou indirectement relié à au moins l'un des moyens mécaniques de mesure ou de contrôle de la température ou de la pression du ou des fluides s'écoulant dans le conduit. L'un de ces moyens peut comprendre un fourreau ou une gaine métallique rigide qui pénètre dans le conduit de façon à mesurer ou contrôler la température ou la pression du ou des fluides dans le conduit. Cela peut être un "doigt de gant" ou un "puits thermométrique" dans lequel se trouve un thermocouple, ou bien un tuyau rigide permettant la mesure d'une pression ou d'une perte de 30 charge. Ainsi, dans ce cas, on utilise le fourreau, ou la gaine, ou le tuyau pour transmettre les vibrations émises par le vibrateur au conduit lui-même. Dans certains cas, on peut renforcer le moyen mécanique à
son point d'attache avec le conduit en rendant le moyen mécanique plus rigide grâce à une pièce métallique ajoutée et fixée ou soudée à
l'ensemble du moyen mécanique et du conduit.
Ainsi dans la présente invention, l'un au moins des appendices mécaniques combine à la fois la fonction d'instrument de mesure ou de 5 contrôle de la température ou de la pression du fluide dans le conduit ou bien la fonction de support ou de guide du conduit, avec la nouvelle fonction de transmetteur de vibrations entre le vibrateur mécanique et le conduit.
Le vibrateur mécanique peut être directement relié à l'un au 10 moins de ces moyens mécaniques (ou appendices), notamment lorsque ces appendices comportent au moins une partie externe disposée à
l'extérieur de l'enceinte thermique, par exemple lorsqu'ils débouchent de l'intérieur de l'enceinte et émergent à l'extérieur de l'enceinte à
travers un orifice pratiqué dans une paroi de l'enceinte.
Le vibrateur mécanique peut aussi être indirectement relié à au moins l'un de ces appendices grâce à un connecteur mécanique rigide.
Le connecteur permet de relier le vibrateur mécanique à l'un au moins de ces appendices, notamment à la partie externe de l'un de ces appendices qui est disposée hors de l'enceinte. Dans ce cas, le 20 connecteur peut être d'une longueur extrêmement courte, allant par exemple de 20 à 200 millimètres. Il peut être relativement long, par exemple de 200 à 2 000 millimètres, notamment lorsque l'un des appendices ne comporte pas de partie externe disposée à l'extérieur de l'enceinte thermique, mais se trouve situé en totalité à l'intérieur de 25 l'enceinte. Dans ce cas, le connecteur relie le vibrateur mécanique à l'un des appendices situé à l'intérieur de l'enceinte, en passant au travers d'un orifice pratiqué dans une paroi de l'enceinte. Le système d'attache du connecteur au vibrateur d'une part, et au moyen mécanique de support ou guidage ou mesure ou de contrôle de la température ou de la 30 pression d'autre part, peut être identique ou différent, amovible tel qu'au moins un boulon ou une vis, ou inamovible tel qu'une soudure.
On préfère utiliser un système d'attache inamovible lorsque celui-ci est situé à l'intérieur de l'enceinte, et un système d'attache amovible lorsque celui-ci est situé à l'extérieur de l'enceinte. Le connecteur a de préférence pour fonction de transmettre sensiblement intégralement les vibrations du vibrateur à l'appendice sans modifier substantiellement la fréquence de ces vibrations.
On peut utiliser un vibrateur mécanique pour chacun des appendices, ou seulement un vibrateur pour plusieurs de ces appendices.
D'une façon avantageuse, on peut relier entre eux deux ou plusieurs de la totalité de ces moyens mécaniques (ou appendices) par une liaison mécanique commune rigide, et simultanément relier cette dernière 10 directement ou indirectement au vibrateur mécanique. La liaison mécanique commune rigide peut être disposée à l'intérieur ou de préférence à l'extérieur de l'enceinte thermique. Elle peut être constituée par une tige ou une barre rigide, appropriée à
1 ' environnement ambiant. Un connecteur tel que celui décrit précédemment peut être utilisé pour relier le vibrateur à cette liaison mécanique commune rigide lorsque ceux-ci ne sont pas reliés dlrectement.
En proposant d'appliquer les vibrations générées par le vibrateur mécanique, par l'intermédiaire éventuellement d'une pièce de liaison (connecteur) entre le vibrateur mécanique et un appendice du conduit, on obtient une structure de transmission des vibrations qui est courte, et de faibles dimensions; grâce à ces faibles dimensions, on peut ainsi minimiser le diamètre de l'orifice de passage qui doit être prévu dans une paroi de l'enceinte thermique pour permettre à la pièce de liaison de s'étendre au travers de celui-ci, du vibrateur mécanique qui est disposé à l'extérieur de l'enceinte (par référence à cette paroi) jusqu'au conduit disposé à l'intérieur de l'enceinte (par référence à cette paroi).
Grâce aux faibles dimensions de cette pièce (ou structure) de transmission des vibrations, ainsi que grâce au caractère inamovible de 30 la liaison mécanique entre l'appendice et le conduit, par exemple obtenue par soudure ou par moulage, on peut ainsi obtenir une liaison mécanique entre le vibrateur et le conduit à faire vibrer, qui soit dotée d'une grande raideur mécanique (statique et dynamique) et d'une pièce -de transmission (connecteur) qui soit légère; à titre d'exemple, la masse du connecteur illustré figures 1 à 7 peut être inférieure à 10 kg, par exemple voisine de 1 à 5 kg.
Le choix préféré d'un vibrateur mécanique de type électromagnétique permet de proposer de tels vibrateurs dont le coût est très faible, qui sont très compacts, de faible masse, très robustes, permettant un fonctionnement en continu et capables d'appliquer au conduit par l'intermédiaire de l'appendice et le cas échéant du connecteur, des efforts relativement importants, par exemple de l'ordre lo de quelques dizaines de newtons.
Dans ce type de vibrateur mécanique alimenté en courant alternatif avec polarisation par aimant permanent, la force fournie par le champ magnétique alternatif est utilisée pour produire un déplacement oscillatoire selon une direction donnée et la fréquence de travail (c'est-à-dire la fréquence des vibrations produites) est égale à la fréquence d'alimentation en énergie électrique, qui est de préférence réglable ou variable en fréquence et en tension, en prévoyant d'alimenter ce vibrateur électromagnétique par un onduleur ou varlateur .
En proposant d'appliquer une vibration résultant d'un effort dont le module est réglable, et de préférence dont la direction est également réglable, on permet d'obtenir une mise en vibration du conduit avec une amplitude nécessaire et suffisante pour diminuer ou éviter le dépôt de sous-produits sur les parois internes du tube ou conduit disposé dans l'enceinte thermique; les moyens décrits ci-dessus permettent d'ajuster la fréquence d'excitation ou de mise en vibration du conduit en fonction des fréquences propres du tube ou conduit et de celles de la pièce de transmission des vibrations; cette mise en vibration de manière réglable, tant en termes de module que de fréquence et de 30 direction, est particulièrement favorisée par les caractéristiques de 1 'invention.
L'enceinte peut contenir un réacteur tubulaire pouvant comporter un tube ou plusieurs tubes dotés d'une seule entrée et d'une sortie d'un fluide, c'est-à-dire d'une seule passe; l'enceinte peut également contenir plusieurs jeux de plusieurs tubes, chacun doté d'une entrée individuelle ou commune à plusieurs tubes pour le fluide, chaque tube étant également doté d'une sortie de fluide individuelle ou commune à
5 plusieurs tubes; l'enceinte peut contenir de deux à quatre tubes conformés en serpentin, dotés d'une entrée individuelle pour chaque tube et d'une sortie individuelle ou commune à plusieurs tubes;
l'enceinte peut être chauffée par des brûleurs qui peuvent être disposés en partie inférieure (dans une zone parfois dénommée ~ sole ~) et/ou le lo long d'un ou plusieurs côtés; il est avantageux que les brûleurs soient disposés perpendiculairement à l'axe longitudinal des portions rectilignes de tube et/ou perpendiculairement à un plan contenant les axes longitudinaux de différentes sections rectilignes de tubes; les brûleurs peuvent également être disposés de telle sorte que leur flamme 15 s'étende selon des axes parallèles aux axes des portions rectilignes de tubes, l'axe des flammes étant colinéaire ou espacé des axes des portions rectilignes de tubes; l'enceinte peut être constituée par un four de craquage, tel qu'un four de vapocraquage d'hydrocarbures, qui peuvent être gazeux à température ambiante ou liquides, tels que le naphta; de tels produits et procédés de traitement thermique de craquage sont décrits dans la demande internationale WO 92/11931 qui est incorporée par la présente par référence; l'enceinte peut également être utilisée comme échangeur de chaleur pour chauffer ou refroidir un fluide s'écoulant dans le conduit.
Le conduit (ou réacteur tubulaire) peut comporter une ou plusieurs portions rectilignes, par exemple de deux à vingt portions rectilignes, qui sont raccordées en parallèle ou en série et séparées par au moins un coude qui peut être un quart de tour ou un coude à 180~;
les sections rectilignes de tube peuvent s'étendre parallèlement les unes 30 aux autres; dans ce cas, plusieurs (par exemple de deux à six) portions rectilignes peuvent être en partie au moins raccordées à un collecteur commun, qui peut être situé à l'extérieur, et de préférence à l'intérieur de l'enceinte.

Selon un mode particulier, le conduit comporte au moins deux ou de préférence au moins trois et au plus vingt portions rectilignes de tubes, chacune séparée par un coude s'étendant sensiblement sur 180~, de sorte que le courant du fluide s'écoulant dans le conduit inverse sa direction à chaque coude par rapport à un référentiel fixe, tel qu'une cloison de l'enceinte; le conduit a dans ce cas une forme préférée de serpentin ou de faisceau; les portions rectilignes de tube peuvent être disposées horizontalement ou verticalement, et certaines portions peuvent être disposées verticalement, tandis que d'autres sont disposées o horizontalement, qui sont plus courtes que les portions rectilignes disposées verticalement, le rapport de la longueur des sections courtes à
la longueur des sections rectilignes longues, étant par exemple de l'ordre de 0,05 à 0,2; la où les portions rectilignes de tube et/ou les coudes peuvent avoir des diamètres différents; de préférence, les portions rectilignes de tubes et les coudes ont un diamètre identique;
alternativement, le diamètre du tube peut varier le long de ce tube et/ou du conduit, d'une section d'entrée à une section de sortie, de manière progressive ou dégressive; les portions rectilignes de tube peuvent avoir une longueur comprise entre 2 et 25 mètres, par exemple comprise entre 5 et 20 mètres.
Le connecteur, c'est-à-dire la structure mécanique de transmission des vibrations produites par le vibrateur à un ou plusieurs appendices du conduit, est disposé entre le vibrateur et l'appendice; l'appendice est fixé ou bien fait partie intégrante d'une portion du conduit, et plus particulièrement fait partie intégrante d'un coude du conduit.
Les nombreux avantages procurés par l'invention seront mieux compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention.
Sauf indication contraire, des repères numériques identiques dans les différentes figures, désignent des éléments identiques ou similaires.
La figure 1 illustre en vue schématique en coupe, par un plan vertical, un appareil de craquage thermique d'hydrocarbures comportant un four muni de brûleurs et équipé d'un système de mise en vibration du conduit, dans lequel circulent des hydrocarbures devant subir la réaction de craquage, conformément à l'invention, et est une vue selon B-B' de la figure 3.
s La figure 2 illustre, de la même manière que la figure 1 et à une échelle agrandie, un mode de réalisation des moyens de mise en vibration du conduit.
La figure 3 illustre en vue en coupe schématique par un plan vertical, l'appareil de la figure 1, et est une vue selon A-A' de la figure 10 1.
La figure 4 est une vue selon G de la figure 1, et à une échelle agrandle La figure 5 illustre en vue en coupe schématique la structure de transmission des vibrations des figures 1 à 4, à une échelle agrandie, et est également une vue selon G de la figure 1.
La figure 6 est une vue selon F de la figure 5.
La figure 7 illustre en vue en perspective schématique un conduit comportant 3 portions tubulaires identiques en forme générale de U, qui sont disposées cote à cote et chacune équipée d'un support respectif, 20 les trois supports étant reliés à un seul vibrateur.
La figure 8 illustre en vue en élévation schématique un conduit conformé en serpentin, dont un coude porte un appendice servant de prise de mesure; la figure 9 illustre à une échelle agrandie en vue en coupe par un plan vertical, le coude et l'appendice de la figure 8.
La figure 10 illustre de la même manière que la figure 9 une variante de l'invention dans laquelle un coude est équipé d'un moyen de guidage constituant un appendice utilisé conformément à l'invention.
Par référence aux figures 1 à 6 particulièrement, on opère dans un four de vapocraquage d'hydrocarbures pour fabriquer des oléfines, décrit schématiquement aux figures 1 et 3 (selon des coupes orthogonales B-B' et A-A'). Les figures 2 et 4 montrent respectivement un détail des figures 1 et 3 aux alentours du coude 11 du conduit 4 et notamment le moyen mécanique de suspension 14 et le dispositif de vibration. Le four comporte une enceinte thermique 1 délimitée par une paroi 2 en matériau réfractaire, une série de brûleurs 3 disposés le long de cette paroi et notamment sur les parois latérales 41, 42 et le fond 43 du four. Une série de plusieurs conduits en parallèle non représentés sur les figures 1 à 4 traversent l'enceinte 1. Seul un conduit 4 y est représenté schématiquement. Le conduit 4 est essentiellement constitué
d'une succession de tronçons rectilignes de tube 5, 6, 7, 8 reliés entre eux par des tronçons curvilignes de tube ou coudes 9, 10, 11 s'étendant sur 90~. Le conduit 4 a essentiellement la forme d'un ~ U ~ tel que o représenté sur la figure 1. Les branches verticales 5 et 7 (d'axe longitudinal respectif 25, 27) et la branche horizontale 6 (d'axe longitudinal 26) du conduit en ~ U ~ ont respectivement comme longueur 47 des valeurs proches de 12 mètres, 12 mètres et 1,5 mètre. Le diamètre interne du conduit et son épaisseur sont respectivement de 48 millimètres et 5 millimètres environ. Les hydrocarbures soumis au vapocraquage s'écoulent dans le conduit 4 en ~ U ~ en y pénétrant selon la flèche 12 à la figure 1 et en y sortant selon la flèche 13 aux figures 3 et 4. A la fin de la portion du conduit en forme de ~ U ~ (figure 1), le conduit forme un coude 11 faisant un angle de 90~ par rapport au plan formé par le ~ U ~ à la figure 1, et se poursuit ainsi comme montré à la figure 3 par le tronçon rectiligne de tube 8 d'axe longitudinal 28 sensiblement horizontal.
Dans le coude 11 est disposé un moyen mécanique de suspension 14 destiné à supporter le conduit 4 et formant un appendice de celui-ci, qui est relié à un support fixe 15 disposé à l'extérieur de l'enceinte 1, par l'intermédiaire d'une suspension mécanique 16 telle qu'un ressort.
Le moyen mécanique de suspension 14 est essentiellement constitué par une pièce métallique triangulaire, comme montré
schématiquement aux figures 3 à 5. La figure 5 montre un détail de la 30 figure 4 concernant le vibrateur, le connecteur et leurs moyens d'attache. Ce moyen mécanique 14 comporte une partie externe 17 disposée à l'extérieur de l'enceinte 1 et qui émerge ainsi hors de l'enceinte à travers un orifice 18 percé dans la paroi 2 de l'enceinte. A

la partie externe 17 du moyen mécanique de suspension, on fixe un connecteur mécanique rigide 19 (lui-même constitué par l'assemblage de pièces métalliques illustrées figures 5 et 6) relié à un vibrateur mécanique 20, à l'aide de boulons et vis 21. Les détails du connecteur 19 et de ses moyens d'attache 21 apparaissent plus clairement aux figures 4 à 6. La longueur 22, la largeur 23 à la base et l'épaisseur 24 de la plaque métallique 14, 17 de forme sensiblement triangulaire constituant essentiellement le moyen mécanique de suspension sont respectivement de 800, 220 et 20 millimètres. La longueur 30, la largeur 32 et lo l'épaisseur 31 du connecteur 19 sont respectivement de 70 millimètres, 50 millimètres et 10 millimètres. Le vibrateur mécanique 20 produit essentiellement des vibrations selon un axe 33 horizontal perpendiculaire à l'axe 27, selon lequel s'étend le tronçon de tube 7 et l'appendice métallique 14,17.
Par référence aux figures 4 à 6, l'appendice 14 est muni dans sa partie supérieure 17 d'un orifice 45 (d'axe 46) par lequel le ressort 16 de soutien du conduit est fixé à l'appendice.
Le connecteur 19, est essentiellement constitué d'une chape ou mâchoire 34 soudée (soudure 40) en partie supérieure 17 de l'appendice 14; cette chape est prolongée par une plaque 35 de forme rectangulaire, elle même fixée par des boulons 21 à une deuxième plaque 36 qui lui fait face; une bride 37 est soudée à une extrémité de la plaque 36; le vibrateur 20 est fixé à cette bride 37 par une deuxième bride 38 dont il est pourvu et par l'intermédiaire de vis 39, et est ainsi monté en porte à
faux (ou suspendu) à l'appendice 14,17.
Dans les conditions industrielles de vapocraquage d'hydrocarbures, en particulier de naphta, le conduit 4 est chauffé par les brûleurs 3 dans l'enceinte 1, de telle sorte que le mélange soit à une température allant de 650~ à 830~C entre l'entrée et la sortie de 30 l'enceinte. Le mélange de naphta et d'eau s'écoulant dans le conduit 4 est dans un rapport pondéral naphta/eau de 100/40. Pendant la réaction de vapocraquage, le vibrateur 20 par l'intermédiaire du connecteur 19 et du moyen mécanique de suspension 14, transmet au conduit 4 une vibration à une fréquence substantiellement proche (à 5 % près) d'une première fréquence propre de résonance du conduit 4, qui est située dans la gamme allant de 40 à 65 Hertz; les tronçons 7 sont ainsi soumis à une vibration mécanique transversale sous cette fréquence.
5 L'amplitude de la vibration au voisinage des ventres de vibration apparaissant le long des tronçons 7, mesurée selon un axe parallèle à
l'axe longitudinal 33 du vibrateur 20, est de l'ordre de un dixième de millimètre. On observe dans ces conditions, que le dépôt de coke à
l'intérieur du conduit 4 est très fortement réduit, de telle sorte que les 10 arrêts du four pour procéder au décokage sont beaucoup plus espacés au cours du temps; on répète cet exemple en transmettant une vibration proche d'autres fréquences propres du conduit qui sont situées entre 20 à 40 Hertz, puis ultérieurement entre 60 et 100 Hertz et on observe des résultats similaires.
IS Dans une variante de réalisation illustrée figure 7, on opère exactement comme décrit précédemment par référence aux figures 1 à 6, excepté que plusieurs conduits 4 en parallèle, par exemple trois conduits 4 tels que représentés schématiquement en perspective ~ cavalière ~ à la figure 7, passent au travers de l'enceinte (non représentée). Ces conduits 4 sont tous identiques à ceux décrits précédemment. Une différence avec l'exemple précédent vient du fait que le vibrateur 20 n'est pas relié à un seul moyen mécanique de suspension 14 par l'intermédiaire du connecteur 19, mais à plusieurs (dans le présent exemple, à trois) moyens mécaniques 14 de suspension respective de chacun des conduits 4, qui sont reliés ensemble par une liaison mécanique commune rigide 29, sous la forme d'une tige mécanique solidement fixée à tous ces moyens mécaniques 14, elle-même reliée au vibrateur 20 par l'intermédiaire du connecteur 19, et d'une liaison rigide 48 dudit connecteur 19 à ladite tige 29.
Dans ces conditions, on n'utilise qu'un seul vibrateur pour faire vibrer les trois conduits 4 en même temps; on observe de la même façon un faible dépôt de coke dans l'ensemble de ces conduits.

Par référence aux figures 8 et 9, on opère dans un four de vapocraquage d'hydrocarbures pour fabriquer des oléfines, décrit schématiquement à la figure 8, qui montre un conduit 4 sous la forme d'un serpentin 52 essentiellement constituée par des tronçons rectilignes 5 parallèles entre eux, d'axe longitudinal 25, qui sont reliés par des coudes 11 à 180~ et disposés dans une enceinte thermique constituée par un four 1 comprenant une zone 51 de radiation et des brûleurs (non représentés). Le conduit comprend dans l'un de ses coudes 11 un "puits thermométrique" 50 sous la forme d'un fourreau cylindrique rigide 56 10 d'axe longitudinal 54 parallèle à l'axe 25, dont l'extrémité obturée 53 pénètre dans le coude 11, et comprenant à l'intérieur du fourreau un thermocouple 58.
Le fourreau 56 émerge hors de l'enceinte du four 1 par un orifice 18 ouvert à travers la paroi 2 de l'enceinte. La partie du fourreau 56 externe au four est reliée à un vibrateur mécanique 20 par l'intermédiaire d'un connecteur rigide 19 et des boulons et vis 21. La figure 9 montre schématiquement le coude 11 du conduit, le "puits thermométrique" 50, le fourreau 56, le thermocouple 58, le vibrateur mécanique 20, le connecteur rigide 19 et les boulons et vis 21. De préférence, une pièce métallique 57, de forme sensiblement triangulaire est fixée par des soudures 59 au coude 11 et au fourreau 56 pour rendre l'ensemble plus rigide et solidaire.
Le vibrateur mécanique 20 est un vibrateur électromagnétique et produit des efforts périodiques dirigés selon l'axe 33 s'étendant transversalement par rapport aux axes 25 et 54, lesquels efforts provoquent des vibrations transversales des tronçons 5.
Dans les conditions industrielles de vapocraquage d' hydrocarbures évoquées ci-dessus et pendant la réaction de vapocraquage, le vibrateur 20 par l'intermédiaire du connecteur 19 et du 30 fourreau 56, transmet au conduit 4 une vibration à une fréquence proche à 5 % près d'une fréquence propre de résonance du conduit 4 qui est située dans la gamme allant de 40 à 65 Hertz, ledit conduit étant ainsi soumis à une vibration mécanique transversale sous cette fréquence. (Amplitude de la vibration: de l'ordre de 1/10 de millimètre). On observe dans ces conditions, que le dépôt de coke à
l'intérieur du conduit 4 est très fortement réduit, de telle sorte que les arrêts de décokage sont plus espacés au cours du temps; on répète cet s exemple en transmettant une vibration proche d'autres fréquences propres du conduit qui sont situées entre 20 à 40 Hertz, puis ultérieurement entre 60 et 100 Hertz et on observe des résultats .
slmllalres .
Le conduit 4 est réalisé dans un matériau tel qu'un acier 0 spécialement choisi pour notamment résister aux températures élevées (par exemple de l'ordre de 500~C à 1 150~C ou même 1 500~C) régnant dans l'enceinte; les différents éléments (coudes 11 et tronçons droits 5 de tubes) constituant le conduit 4, sont généralement assemblés entre eux par soudures, telles que celles représentées schématiquement figure 10 et repérées 40, qui sont prévues à l'interface ou jonction entre l'extrémité 64 des tronçons droits 5 parallèles entre eux et d'axe longitudinal 25, et le coude 11.
Dans la variante de réalisation illustrée figure 10 des efforts alternatifs appliqués à l'appendice 60 par le vibrateur 20 sont dirigés selon un axe 33 s'étendant radialement par référence à l'axe 54 longitudinal de l'appendice 60 (qui est parallèle à l'axe 25).
Dans ce mode de réalisation, l' appendice 60 et le coude 11 constituent une seule pièce métallique; cette pièce comporte une première partie formant les parois 62 du coude 11, une deuxième partie (centrale) 61 de liaison et une troisième partie 63 d'extrémité en forme de tige qui s'étend au travers de l'orifice 18 prévu dans la paroi 2 du four; cette partie 63 coopère avec l'orifice 18 pour guider le coude (et le conduit) dans ses déplacements (par rapport à la paroi 2) dus à la dilatation du conduit sous l'effet de la température régnant dans le four.
L'onduleur d'alimentation du vibrateur peut être choisi parmi ceux proposés par la Société TELEMECANIQUE.
Dans les modes de réalisation illustrés figure 8 à 10, l'axe 33 d'application des vibrations est parallèle à (par exemple confondu avec) un plan contenant les axes longitudinaux 25 des tronçons droits de tube du serpentin; dans une variante préférée (non représentée), cet axe 33 peut etre incliné (notamment perpendiculaire) par rapport à ce plan.

Claims (17)

1. Procédé de traitement thermique d'un ou plusieurs fluide(s) s'écoulant dans un conduit (4) qui comporte au moins un tronçon (5, 6, 7, 8) rectiligne s'étendant selon un axe longitudinal (25, 26, 27, 28), lequel conduit est disposé en partie au moins dans une enceinte thermique (1), procédé dans lequel on provoque une vibration transversale du conduit produite par un vibrateur mécanique (20) disposé à l'extérieur de l'enceinte thermique, pour réduire ou éviter un dépôt de particules solides sur la paroi interne dudit conduit, caractérisé en ce qu'on transmet ladite vibration par l'intermédiaire d'un appendice (14, 50, 60) faisant partie d'un moyen mécanique de support ou de guidage dudit conduit ou bien d'un instrument de mesure fixé audit conduit, et en ce que les vibrations sont appliquées en exerçant un effort selon une direction (33) sensiblement transversale ou radiale par référence audit axe longitudinal.

2. Procédé suivant la revendication 1 dans lequel ledit appendice (14, 60) est essentiellement constitué par une ou plusieurs pièces métallique(s) fixée(s) rigidement et de manière inamovible à une ou plusieurs parois dudit conduit disposée(s) dans l'enceinte thermique, de préférence soudée à une paroi dudit conduit ou bien constituant une seule pièce avec une partie des parois dudit conduit, lequel appendice est de préférence de forme allongée, par exemple essentiellement constitué par un tronçon de tube ou de barre.

3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit vibrateur (20) est relié directement audit appendice.

4. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit vibrateur (20) est relié indirectement à un ou plusieurs appendice(s) par l'intermédiaire d'un connecteur (19) apte à transmettre ladite vibration.

5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit vibrateur exerce un effort périodique dont la fréquence est sensiblement égale à une fréquence propre de résonance correspondant à un mode de vibration transversale dudit tronçon rectiligne.

6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ledit vibrateur est fixé de manière amovible audit connecteur ou audit appendice, par exemple par au moins une vis ou un boulon.

7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel on utilise un vibrateur électromagnétique alimenté par une source d'énergie électrique à fréquence variable.

8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel on applique des vibrations audit conduit à une fréquence inférieure à 1000 hertz.

9. Dispositif de traitement thermique d'un ou plusieurs fluides qui comporte:
- une enceinte thermique (1), - un conduit (4) dans lequel ledit ou lesdits fluides s'écoulent, qui s'étend en partie au moins à l'intérieur de ladite enceinte, et qui comporte un tronçon (5, 6, 7, 8) rectiligne s'étendant selon un axe longitudinal (25, 26, 27, 28), - un vibrateur mécanique (20) disposé à l'extérieur de l'enceinte thermique, - un moyen de liaison mécanique reliant ledit conduit audit vibrateur, caractérisé en ce que ledit moyen de liaison mécanique servant à
transmettre les vibrations comporte un appendice (14, 50, 60) proéminent du conduit, lequel appendice fait partie d'un moyen mécanique de support ou de guidage dudit conduit ou bien d'un instrument de mesure fixé audit conduit, et en ce que l'axe (33) selon lequel ledit vibrateur exerce son effort sur ledit moyen de liaison mécanique, est disposé sensiblement transversalement à l'axe longitudinal du tronçon rectiligne.

10. Dispositif suivant la revendication 9, dans lequel ledit appendice est fixé ou incorporé à un coude (11) faisant partie dudit conduit et disposé dans l'enceinte thermique.

11. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 9 ou 10, dans lequel ledit vibrateur est fixé audit appendice, de sorte que son axe (33) principal d'application d'effort soit disposé sensiblement transversalement ou radialement par rapport à l'axe longitudinal de l'appendice, et dans lequel ledit appendice est allongé et s'étend sensiblement parallèlement audit axe longitudinal du tronçon rectiligne.

12. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 9 à
11, dans lequel ledit appendice est essentiellement constitué par une tige ou un tube s'étendant au travers d'un orifice (18) prévu dans une paroi faisant partie des moyens délimitant l'enceinte thermique, lequel appendice est fixé ou intégré à un coude (11) disposé à une extrémité du tronçon rectiligne et dans lequel ledit tronçon rectiligne et ledit appendice s'étendent sensiblement horizontalement ou verticalement.

13. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 9 à
12, dans lequel ledit vibrateur est relié indirectement à un ou plusieurs appendice(s) par l'intermédiaire d'un connecteur (19) apte à transmettre ladite vibration.

14. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 9 à
13, qui comporte plusieurs vibrateurs respectivement fixés ou reliés à
un ou plusieurs appendice(s) dudit conduit.

15. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 9 à
14, dans lequel ledit vibrateur est fixé de manière amovible audit connecteur ou audit appendice, par exemple par au moins une vis ou un boulon.

16. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 9 à
15, dans lequel ledit vibrateur est un vibrateur électromagnétique alimenté par une source d'énergie électrique à fréquence variable, de préférence alimenté par un variateur de fréquence et de tension, et est de préférence apte à appliquer des vibrations audit conduit à une fréquence inférieure à 1000 hertz.

17. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 9 à
16, dans lequel ledit vibrateur est suspendu audit connecteur ou audit appendice, et la masse dudit vibrateur est inférieure ou égale à 20 kg, et le vibrateur est disposé à une faible distance d'un orifice (18) prévu dans une paroi de l'enceinte thermique et au travers duquel s'étend ledit appendice.