EP0812630A1 - Procédé et dispositif de mise en vibration d'un conduit dans une enceinte thermique - Google Patents

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

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EP0812630A1
EP0812630A1 EP97430014A EP97430014A EP0812630A1 EP 0812630 A1 EP0812630 A1 EP 0812630A1 EP 97430014 A EP97430014 A EP 97430014A EP 97430014 A EP97430014 A EP 97430014A EP 0812630 A1 EP0812630 A1 EP 0812630A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
vibrator
appendage
conduit
duct
mechanical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP97430014A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Serge Bellet
Guy Louradour
Dorothée Delforce
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Naphtachimie SA
Original Assignee
Naphtachimie SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Naphtachimie SA filed Critical Naphtachimie SA
Publication of EP0812630A1 publication Critical patent/EP0812630A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B9/00—Cleaning hollow articles by methods or apparatus specially adapted thereto 
    • B08B9/02—Cleaning pipes or tubes or systems of pipes or tubes
    • B08B9/027—Cleaning the internal surfaces; Removal of blockages
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B17/00—Methods preventing fouling
    • B08B17/02—Preventing deposition of fouling or of dust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28G—CLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
    • F28G7/00—Cleaning by vibration or pressure waves

Definitions

  • the subject of the present invention is a method and an apparatus for heat treatment of fluids, gaseous or liquid materials or products flowing in a conduit.
  • the technical sector of the invention relates to heat treatments in general, those employing both heating and cooling and comprising a chemical reaction or not.
  • Fluid materials or products subjected to heat treatments are likely to form deposits on the internal wall of a conduit in which they flow during their treatment. This can occur for example during the steam cracking of hydrocarbons to manufacture olefins, or during the cracking of 1,2-dichloroethane to manufacture vinyl chloride, or also in heat exchangers, for example coolers.
  • an oven such as a steam cracking oven, comprising a thermal radiation enclosure, provided with burners, inside which is disposed a cracking tube in the form of a coil, constituted by a succession of sections. straight lines (that is to say straight sections) interconnected by elbows; the oven is provided with an excitation means capable of generating a vibration at least a part of the tube which may be constituted by a mechanical vibration generator, connected to the tube by a mechanical connection.
  • Patent application JP-A-59-001999 (MITSUBISHI JU-KOGYO) describes a process for blowing soot for the smoke saver of the main and auxiliary boilers of ships and terrestrial boilers, in which the soot deposited on the external surface of the tubular elements of a smoke saver is eliminated by forced vibration of said tubular elements.
  • the economizer consists of several rows of tubular elements in the form of a serpentine supported by tubular plates and a prop.
  • a rod is fixed by one of its ends to a tubular plate of the heating tube, and connected by its other end to a vibrating machine; the heating tube is made to vibrate by actuating the vibrating machine.
  • the object of the present invention is to propose a process for the thermal treatment of fluids flowing in a duct arranged in a thermal enclosure (such as a radiation enclosure of an oven equipped with burners), in which the duct is made to vibrate. , and a corresponding device, which are improved.
  • a thermal enclosure such as a radiation enclosure of an oven equipped with burners
  • the present invention more specifically aims to provide a method and an apparatus for effective vibration of a tube or conduit which is disposed in a thermal enclosure and in which a fluid flows, method and apparatus which are compatible with thermal stresses which can be high due to very high temperatures prevailing in the thermal enclosure (which can range up to 1000 ° C. or 1500 ° C.), and which are both simple, reliable, meeting safety standards and with a long service life, that is to say capable of being implemented industrially at a reduced cost while being endowed with sufficient robustness, reliability and safety, taking into account the continuous nature of the heat treatment operations and risk of explosion in the event of mechanical rupture of the duct.
  • the solution to the problem posed consists in proposing a method of vibrating a conduit to reduce or avoid a deposit of solid particles on the internal wall of said conduit in which flow one or more fluids, which conduit is arranged at least in part in a thermal enclosure (for the heat treatment of said fluid or fluids), method in which a transverse vibration (or bending) produced by a mechanical vibrator is applied to the conduit which is disposed outside the thermal enclosure, in which said vibration is transmitted (from said vibrator to said conduit) via an appendage (or accessory or prominent member of said conduit) forming part of a mechanical means for supporting or guiding said conduit or else 'a measuring instrument (in particular for measuring pressure or temperature of said fluid or fluids) fixed to said duct; the transverse vibrations of a rectilinear portion of the conduit result from a force exerted by the vibrator in a substantially transverse or radial direction with reference to the longitudinal axis of a rectilinear section of the conduit.
  • the invention applies to a method of heat treatment of one or more fluid (s) flowing in a conduit which comprises at least one rectilinear section extending along a longitudinal axis, which conduit is disposed in part at least in a thermal enclosure, method in which a transverse vibration of the duct produced by a mechanical vibrator arranged outside the thermal enclosure is caused, in order to reduce or avoid a deposit of solid particles on the internal wall of said leads; according to the invention, said vibration is transmitted via an appendage forming part of a mechanical means for supporting or guiding said duct or else a measuring instrument fixed to said duct, and the vibrations are applied by exerting a force in a substantially transverse or radial direction by reference to said longitudinal axis.
  • an appendage serving as a means of measuring or controlling the temperature or the pressure of the fluid or fluids flowing in the conduit, or else forming part of a mechanical support or guiding means of said conduit, without the need to modify the appendix to adapt it to its new vibration transmission function.
  • the appendage used can be placed at any point of the duct or of a straight section of tube or of an elbow, preferably in the vicinity of one end of a straight section of tube (of the duct), or more particularly on a bend or a curvilinear section of tube; in this particular case, it has been found that, surprisingly, it is possible to obtain a vibration, preferably transverse (that is to say of bending of a rectilinear section (of tube) of the conduit) sufficiently effective in limiting deposits on the internal wall of the duct, by applying vibrations (which are generated by the vibrator and transmitted to the duct by a mechanical connection means) at the end of this straight section, whereas this end normally corresponds to a vibration node, as regards in particular the modes of transverse vibration of this section, and that consequently, it seems unfavorable to excite the rectilinear section in the vicinity of its end.
  • a vibration preferably transverse (that is to say of bending of a rectilinear section (of tube)
  • the vibrator exerts a linear or axial force, that is to say directed along an axis (or direction) said main, which is invariable in time;
  • the vibrator may comprise a core or counterweight, mounted movable in linear translation (along said main axis) on two aligned bearings, and moved by the action of a periodic and alternating electromagnetic field;
  • this preferred type of electromagnetic vibrator can be chosen from those offered by the company BINDER MAGNETE GMBH (Mönchweilerstrasse 1, Postfach 1220, D.7730 Villingen-Schwenningen, Germany).
  • the main axis along which the force is exerted can be located in a plane substantially inclined relative to the longitudinal axis of the rectilinear section to be vibrated, at an angle greater than 45 ° and less than 135 °, preferably between 60 ° and 120 °, in particular close to 90 °, that is to say -to say substantially perpendicular; said main axis can extend radially, that is to say can cut said longitudinal axis at a point of intersection.
  • the vibrator exerts on the appendix, directly or via a connector, a force (or force) variable in time, preferably periodic and alternating, to cause movement (or displacement) of the appendix, where appropriate, the connector (that is to say the structure for transmitting vibrations), and the rectilinear section of the conduit, variable in time and of zero mean value (that is to say periodic); this transverse vibration of the conduit causes transverse deformation or bending of the elongated (for example tubular) straight portions of the conduit, that is to say of at least one rectilinear section (of tube) of the conduit.
  • the invention applies to methods and devices in which fluids are capable of causing solid deposits under the effect of heating, cooling or a chemical reaction.
  • the flow of the fluid or fluids in the conduit can be carried out before or after, or preferably during the vibration of the conduit; said (or said) fluid (s) may (may) be a chemical reagent (s) subjected to a chemical reaction in said conduit; in this case, the thermal enclosure can be an oven or even a heat exchanger in which is arranged a conduit (a tube) in which a chemical reaction takes place.
  • the mechanical vibrator can be directly or indirectly connected to at least one of the mechanical means for measuring or controlling the temperature or the pressure of the fluid or fluids flowing in the conduit.
  • One of these means can comprise a sheath or a rigid metallic sheath which penetrates into the conduit so as to measure or control the temperature or the pressure of the fluid or fluids in the conduit.
  • This can be a "thermowell” or a "thermowell” in which there is a thermocouple, or a rigid pipe allowing the measurement of a pressure or a pressure drop.
  • the sheath, or the sheath, or the pipe is used to transmit the vibrations emitted by the vibrator to the conduit itself.
  • the mechanical means can be reinforced at its point of attachment with the conduit by making the mechanical means more rigid thanks to a metal part added and fixed or welded to all of the mechanical means and the conduit.
  • At least one of the mechanical appendages combines both the function of an instrument for measuring or controlling the temperature or the pressure of the fluid in the duct or the function of support or guide of the conduit, with the new function of vibration transmitter between the mechanical vibrator and the conduit.
  • the mechanical vibrator can be directly connected to at least one of these mechanical means (or appendages), in particular when these appendages comprise at least one external part disposed outside the thermal enclosure, for example when they open out from inside the enclosure and emerge outside the enclosure through an orifice made in a wall of the enclosure.
  • the mechanical vibrator can also be indirectly connected to at least one of these appendages by means of a rigid mechanical connector.
  • the connector makes it possible to connect the mechanical vibrator to at least one of these appendages, in particular to the external part of one of these appendages which is arranged outside the enclosure.
  • the connector can be of an extremely short length, ranging for example from 20 to 200 millimeters. It can be relatively long, for example from 200 to 2,000 millimeters, in particular when one of the appendages does not have an external part disposed outside the thermal enclosure, but is located entirely inside the enclosure.
  • the connector connects the mechanical vibrator to one of the appendages located inside the enclosure, passing through an orifice made in a wall of the enclosure.
  • the system for attaching the connector to the vibrator on the one hand, and by mechanical means of support or guidance or measurement or control of temperature or pressure on the other hand, can be identical or different, removable such as at minus a bolt or a screw, or irremovable such as a weld.
  • a non-removable attachment system when it is located inside the enclosure, and a removable attachment system when the latter is located outside the enclosure.
  • the connector preferably has the function of transmitting substantially entirely the vibrations of the vibrator to the appendage without substantially modifying the frequency of these vibrations.
  • two or more of all of these mechanical means (or appendages) can be connected together by a rigid common mechanical connection, and simultaneously connect the latter directly or indirectly to the mechanical vibrator.
  • the rigid common mechanical connection can be arranged inside or preferably outside the thermal enclosure. It can be constituted by a rigid rod or bar, suitable for the ambient environment.
  • a connector such as that described above can be used to connect the vibrator to this common rigid mechanical connection when these are not directly connected.
  • this part (or structure) for transmitting vibrations as well as to the irremovable nature of the mechanical connection between the appendix and the conduit, for example obtained by welding or by molding, it is thus possible to obtain a mechanical connection between the vibrator and the duct to be vibrated, which has a high mechanical stiffness (static and dynamic) and a part transmission (connector) which is light; by way of example, the mass of the connector illustrated in FIGS. 1 to 7 can be less than 10 kg, for example close to 1 to 5 kg.
  • the force provided by the alternating magnetic field is used to produce an oscillatory displacement in a given direction and the working frequency (i.e. the frequency vibrations produced) is equal to the frequency of supply of electrical energy, which is preferably adjustable or variable in frequency and in voltage, by providing for supplying this electromagnetic vibrator by an inverter or variator.
  • the enclosure may contain a tubular reactor which may comprise a tube or several tubes with a single inlet and an outlet of a fluid, that is to say with a single pass; the enclosure can also contain several sets of several tubes, each with an individual inlet or common to several tubes for the fluid, each tube also having an individual or common fluid outlet with several tubes; the enclosure can contain from two to four tubes shaped as a serpentine, with an individual inlet for each tube and an individual outlet or common to several tubes; the enclosure can be heated by burners which can be arranged in the lower part (in an area sometimes called "sole") and / or along one or more sides; it is advantageous that the burners are arranged perpendicular to the longitudinal axis of the straight tube portions and / or perpendicular to a plane containing the longitudinal axes of different straight sections of tubes; the burners can also be arranged so that their flame extends along axes parallel to the axes of the straight portions of tubes, the flame axis being collinear or spaced from the axes of the
  • the duct may comprise one or more rectilinear portions, for example from two to twenty rectilinear portions, which are connected in parallel or in series and separated by at least one bend which can be a quarter turn or a bend at 180 °; the straight tube sections can extend parallel to each other; in this case, several (for example from two to six) rectilinear portions can be at least partly connected to a common collector, which can be located outside, and preferably inside the enclosure.
  • the conduit comprises at least two or preferably at least three and at most twenty straight portions of tubes, each separated by an elbow extending substantially over 180 °, so that the current of the fluid flowing in the conduit reverses its direction at each bend relative to a fixed frame of reference, such as a partition of the enclosure;
  • the conduit in this case has a preferred form of coil or bundle;
  • the straight portions of tube can be arranged horizontally or vertically, and some portions can be arranged vertically, while others are arranged horizontally, which are shorter than the straight portions arranged vertically, the ratio of the length of the short sections to the length of long straight sections, for example of the order of 0.05 to 0.2;
  • the straight portion (s) of tube and / or the elbows may have different diameters; preferably, the straight portions of tubes and the elbows have an identical diameter; alternatively, the diameter of the tube can vary along this tube and / or the conduit, from an inlet section to an outlet section, in a progressive or degressive manner;
  • the straight tube portions can have a length
  • the connector that is to say the mechanical structure for transmitting the vibrations produced by the vibrator to one or more appendages of the conduit, is disposed between the vibrator and the appendage; the appendix is fixed or an integral part of a portion of the duct, and more particularly an integral part of a bend in the duct.
  • Figure 1 illustrates in schematic sectional view, through a vertical plane, a thermal oil cracking device comprising an oven fitted with burners and equipped with a system for vibrating the duct, in which hydrocarbons circulating which are to undergo the cracking reaction, in accordance with the invention, and is a view along BB 'in FIG. 3.
  • FIG. 2 illustrates, in the same manner as FIG. 1 and on an enlarged scale, an embodiment of the means for vibrating the conduit.
  • FIG. 3 illustrates in schematic sectional view through a vertical plane, the apparatus of FIG. 1, and is a view along A-A 'of FIG. 1.
  • Figure 4 is a view along G of Figure 1, and on an enlarged scale.
  • FIG. 5 illustrates in schematic sectional view the structure for transmitting the vibrations of FIGS. 1 to 4, on an enlarged scale, and is also a view along G of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a view along F of FIG. 5.
  • Figure 7 illustrates in schematic perspective view a conduit comprising 3 identical tubular portions in general U-shape, which are arranged side by side and each equipped with a respective support, the three supports being connected to a single vibrator.
  • FIG. 8 illustrates in schematic elevation view a conduit shaped as a serpentine, one elbow of which carries an appendage serving as a measurement
  • FIG. 9 illustrates on an enlarged scale in sectional view through a vertical plane, the elbow and the appendix of FIG. 8.
  • Figure 10 illustrates in the same way as Figure 9 a variant of the invention in which an elbow is equipped with a guide means constituting an appendage used in accordance with the invention.
  • FIGS. 1 to 6 With reference to FIGS. 1 to 6 in particular, one operates in a steam cracking furnace for hydrocarbons to manufacture olefins, described schematically in FIGS. 1 and 3 (according to orthogonal sections BB 'and A-A').
  • Figures 2 and 4 respectively show a detail of Figures 1 and 3 around the elbow 11 of the conduit 4 and in particular the mechanical suspension means 14 and the device vibration.
  • the oven comprises a thermal enclosure 1 delimited by a wall 2 of refractory material, a series of burners 3 arranged along this wall and in particular on the side walls 41, 42 and the bottom 43 of the oven.
  • a series of several parallel conduits not shown in FIGS. 1 to 4 pass through the enclosure 1. Only one conduit 4 is shown there diagrammatically.
  • the conduit 4 essentially consists of a succession of rectilinear sections of tube 5, 6, 7, 8 connected together by curvilinear sections of tube or elbows 9, 10, 11 extending over 90 °.
  • the conduit 4 has essentially the shape of a "U" as shown in FIG. 1.
  • the vertical branches 5 and 7 (with respective longitudinal axes 25, 27) and the horizontal branch 6 (with longitudinal axes 26) of the U-shaped ducts have respectively the length 47 of values close to 12 meters, 12 meters and 1.5 meters.
  • the internal diameter of the conduit and its thickness are approximately 48 millimeters and approximately 5 millimeters, respectively.
  • the hydrocarbons subjected to steam cracking flow in the pipe 4 in a "U" shape by entering there according to arrow 12 in FIG.
  • the conduit forms a bend 11 making an angle of 90 ° relative to the plane formed by the "U” in Figure 1, and thus continues as shown in Figure 3 by the section rectilinear tube 8 with a longitudinal axis 28 substantially horizontal.
  • a mechanical suspension means 14 intended to support the conduit 4 and forming an appendage thereof, which is connected to a fixed support 15 disposed outside the enclosure 1, via a mechanical suspension 16 such as a spring.
  • the mechanical suspension means 14 essentially consists of a triangular metal piece, as shown diagrammatically in FIGS. 3 to 5.
  • FIG. 5 shows a detail in FIG. 4 concerning the vibrator, the connector and their attachment means.
  • This mechanical means 14 comprises an external part 17 disposed outside of the enclosure 1 and which thus emerges from the enclosure through an orifice 18 drilled in the wall 2 of the enclosure.
  • a rigid mechanical connector 19 is fixed (itself constituted by the assembly of metal parts illustrated in FIGS. 5 and 6) connected to a mechanical vibrator 20, using bolts and screws 21.
  • the details of the connector 19 and of its attachment means 21 appear more clearly in FIGS. 4 to 6.
  • the length 22, the width 23 at the base and the thickness 24 of the metal plate 14, 17 of substantially triangular shape essentially constituting the mechanical suspension means are respectively 800, 220 and 20 millimeters.
  • the length 30, the width 32 and the thickness 31 of the connector 19 are respectively 70 millimeters, 50 millimeters and 10 millimeters.
  • the mechanical vibrator 20 essentially produces vibrations along a horizontal axis 33 perpendicular to the axis 27, along which extends the tube section 7 and the metal appendage 14, 17.
  • the appendix 14 is provided in its upper part 17 with an orifice 45 (of axis 46) by which the spring 16 for supporting the duct is fixed to the appendix.
  • the connector 19 essentially consists of a fork or jaw 34 welded (weld 40) in the upper part 17 of the appendix 14; this yoke is extended by a plate 35 of rectangular shape, itself fixed by bolts 21 to a second plate 36 which faces it; a flange 37 is welded to one end of the plate 36; the vibrator 20 is fixed to this flange 37 by a second flange 38 with which it is provided and by means of screws 39, and is thus mounted in a cantilever (or suspended) manner in appendix 14, 17.
  • the duct 4 is heated by the burners 3 in the enclosure 1, so that the mixture is at a temperature ranging from 650 ° to 830 ° C between 1 entry and exit of the enclosure.
  • the mixture of naphtha and water flowing in line 4 is in a naphtha / water weight ratio of 100/40.
  • the vibrator 20 via the connector 19 and the mechanical suspension means 14, transmits to the pipe 4 a vibration at a frequency substantially close (to within 5%) of a first natural resonance frequency of the conduit 4, which is situated in the range from 40 to 65 Hertz; the sections 7 are thus subjected to a transverse mechanical vibration at this frequency.
  • the amplitude of the vibration in the vicinity of the vibration bellies appearing along the sections 7, measured along an axis parallel to the longitudinal axis 33 of the vibrator 20, is of the order of one tenth of a millimeter. It is observed under these conditions, that the deposition of coke inside the duct 4 is very greatly reduced, so that the stops of the oven for decoking are much more spaced over time; this example is repeated by transmitting a vibration close to other natural frequencies of the conduit which are located between 20 to 40 Hertz, then subsequently between 60 and 100 Hertz and we observe similar results.
  • FIG. 7 the operation is carried out exactly as described above with reference to FIGS. 1 to 6, except that several conduits 4 in parallel, for example three conduits 4 as shown diagrammatically in perspective "jumper" in FIG. 7, pass through the enclosure (not shown).
  • These conduits 4 are all identical to those described above.
  • a difference with the previous example comes from the fact that the vibrator 20 is not connected to a single mechanical suspension means 14 via the connector 19, but to several (in the present example, three) mechanical means 14 respective suspension of each of the conduits 4, which are connected together by a rigid common mechanical connection 29, in the form of a mechanical rod securely attached to all these mechanical means 14, itself connected to the vibrator 20 via the connector 19, and a rigid connection 48 of said connector 19 to said rod 29.
  • FIG. 8 shows a duct 4 in the form of a coil 52 essentially constituted by rectilinear sections 5 parallel to each other, of longitudinal axis 25, which are connected by 180 ° elbows 11 and arranged in a thermal enclosure constituted by an oven 1 comprising a zone 51 of radiation and burners (not shown).
  • the conduit comprises in one of its elbows 11 a "thermowell" 50 in the form of a rigid cylindrical sheath 56 of longitudinal axis 54 parallel to the axis 25, the closed end 53 of which enters the elbow 11 , and comprising inside the sheath a thermocouple 58.
  • the sheath 56 emerges from the enclosure of the furnace 1 through an orifice 18 open through the wall 2 of the enclosure.
  • the part of the sheath 56 external to the oven is connected to a mechanical vibrator 20 via a rigid connector 19 and bolts and screws 21.
  • FIG. 9 schematically shows the elbow 11 of the conduit, the "thermowell” 50, the sleeve 56, the thermocouple 58, the mechanical vibrator 20, the rigid connector 19 and the bolts and screws 21.
  • a metal part 57 is fixed by welds 59 to the elbow 11 and to the sleeve 56 for make the whole more rigid and united.
  • the mechanical vibrator 20 is an electromagnetic vibrator and produces periodic forces directed along the axis 33 extending transversely relative to the axes 25 and 54, which forces cause transverse vibrations of the sections 5.
  • the vibrator 20 via the connector 19 and the sheath 56, transmits to the pipe 4 a vibration at a frequency close to 5% near d '' a natural resonance frequency of the conduit 4 which is situated in the range going from 40 to 65 Hertz, the said conduit being thus subjected to a transverse mechanical vibration under this frequency.
  • Amplitude of the vibration of the order of 1/10 of a millimeter).
  • the conduit 4 is made of a material such as a steel specially chosen to in particular withstand high temperatures (for example of the order of 500 ° C to 1150 ° C or even 1500 ° C) prevailing in the enclosure; the various elements (elbows 11 and straight sections 5 of tubes) constituting the conduit 4, are generally assembled together by welds, such as those shown diagrammatically in FIG. 10 and marked 40, which are provided at the interface or junction between the end 64 of straight sections 5 parallel to each other and of longitudinal axis 25, and the elbow 11.
  • welds such as those shown diagrammatically in FIG. 10 and marked 40, which are provided at the interface or junction between the end 64 of straight sections 5 parallel to each other and of longitudinal axis 25, and the elbow 11.
  • the appendix 60 and the elbow 11 constitute a single metal part; this part comprises a first part forming the walls 62 of the elbow 11, a second (central) part 61 for connection and a third end part 63 in the form of a rod which extends through the orifice 18 provided in the wall 2 from the oven; this part 63 cooperates with the orifice 18 to guide the elbow (and the conduit) in its movements (relative to the wall 2) due to the expansion of the conduit under the effect of the temperature prevailing in the oven.
  • the vibrator supply inverter can be chosen from those offered by TELEMECANIQUE.
  • the axis 33 of application of the vibrations is parallel to (for example confused with) a plane containing the longitudinal axes 25 of straight sections of the coil tube; in a preferred variant (not shown), this axis 33 can be inclined (in particular perpendicular) relative to this plane.

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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. <IMAGE>

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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 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 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 l'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 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 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 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 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 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 BINDER MAGNETE GMBH (Mönchweilerstrasse 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 thermique,
    • 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 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 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 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 ;
    • 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 (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 résonance correspondant à un mode 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 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 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 conduit ;
    • 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 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 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 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 ;
  • 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 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 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 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 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 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 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 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 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 l'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 directement.
  • 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 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 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 variateur.
  • 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 direction, est particulièrement favorisée par les caractéristiques de l'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 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 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 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 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 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 ou 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.
  • 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 1.
  • La figure 4 est une vue selon G de la figure 1, et à une échelle agrandie .
  • 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, 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 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 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 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 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. 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 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.
  • 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 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 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 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.
  • Le conduit 4 est réalisé dans un matériau tel qu'un acier 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 être 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.
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