FR2828731A1 - Installation de conversion chimique d'une charge presentant une surface reduite d'echange de chaleur - Google Patents

Installation de conversion chimique d'une charge presentant une surface reduite d'echange de chaleur Download PDF

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Abstract

- Installation de conversion chimique d'une charge pour la mise en oeuvre d'au moins une réaction chimique endothermique, comprenant un four comportant une pluralité de moyens d'échange de chaleur (6a, 6b, 6c, 6d), lesdits moyens d'échange de chaleur étant disposés de façon à définir entre eux des passages adaptés pour la circulation dans le four du ou des fluides de procédé, au moins un desdits moyen d'échange de chaleur comprenant - au moins un moyen d'alimentation en comburant (10, 11) et au moins un moyen d'alimentation en combustible - une chambre de combustion (22) à l'intérieur de laquelle se développe une combustion entre ledit comburant et ledit combustible, - une enveloppe (21) fermée et allongée traversant au moins en partie ledit four et dans laquelle circule les gaz chauds issus de ladite combustion, ladite enveloppe permettant un échange indirect de chaleur entre lesdits gaz et le ou lesdits fluides de procédé, - des moyens (9a, 9b, 9c, 9d) d'évacuation des gaz de combustion ayant échangé de la chaleur, ladite installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens permettant de réaliser ladite combustion à une pression supérieure à la pression atmosphérique. - Application de ladite installation aux réactions de vapocraquage, de pyrolyse, de déshydrogénation catalytique ou de vaporéformage catalytique d'hydrocarbures ou de coupes d'hydrocarbures.

Description

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La présente invention concerne une installation pour la mise en oeuvre de réactions chimiques nécessitant au moins au démarrage un apport de calories. Ladite installation comprend habituellement une série d'éléments permettant au moins dans une première zone un apport de chaleur nécessaire au démarrage de la réaction. L'installation est plus particulièrement applicable à la mise en oeuvre de toute réaction endothermique mais plus particulièrement pour la mise en oeuvre des réactions de vapocraquage, de pyrolyse, de déshydrogénation catalytique et de vaporéformage catalytique d'hydrocarbures ou de coupes d'hydrocarbures dans lesquelles les températures de réaction sont le plus souvent supérieures à environ 350 C et où l'un des problèmes à résoudre est de limiter les réactions secondaires conduisant à la formation de goudron et/ou de coke.
On connaît déjà, dans l'industrie pétrolière et pétrochimique, notamment du vapocraquage d'hydrocarbures, de nombreuses technologies de fours adaptées au chauffage et/ou à la conversion chimique d'un fluide, ces fours sont par exemple de type tubulaire . Dans un tel four, qui comprend un ou plusieurs serpentins tubulaires de circulation de la charge, notamment dans une zone dite à convection puis une zone dite à radiation, le fluide de procédé circule à l'intérieur de tubes dans lesquels il est chauffé par échange indirect de chaleur entre la surface externe desdits tubes et des fumées chaudes, par convection et/ou radiation. Ces fumées sont en général générées par une pluralité de brûleurs dont les sorties de gaz de combustion communiquent avec l'intérieur de l'enceinte du four.
Pour un four industriel de vapocraquage, l'enceinte du four est typiquement parallélépipédique pour chacune des sections de convection et/ou de radiation, et le volume de l'enceinte de confinement des gaz de combustion est très généralement supérieur à 200 m3 (mètres cube), par exemple compris entre 200 et 2500 m3.
En raison d'un telle taille et pour des raisons de résistance mécanique, la pression intérieure d'une telle enceinte de four est typiquement très peu différente de la pression atmosphérique, la dépression ou la surpression de l'enceinte étant le plus souvent notablement inférieure à 0,001 MPa (mégapascals). Les fours tubulaires, constituant la plus grande partie des fours utilisés dans des procédés pétroliers et pétrochimiques, sont ainsi des fours dits à pression atmosphérique .
Le brevet US 5,554, 347 décrit par ailleurs une technologie de four alternative, ledit four comprenant dans une enceinte de confinement une pluralité de brûleurs dits radiants c'est à dire se prolongeant radialement dans ladite enceinte par des tubes fermés présentant généralement une géométrie cylindrique allongée selon un axe. Les gaz de combustion générés par les brûleurs circulent à l'intérieur des surfaces cylindriques et chauffent la partie interne de celles-ci. Grâce à cette circulation interne des gaz de combustion, la paroi externe desdites surfaces chauffe de manière indirecte les fluides du procédé circulant à l'intérieur
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de ladite enceinte. Par fluides de procédé, il est entendu dans la présente description l'ensemble des phases gazeuses ou liquides entrant en jeu dans la réaction recherchée (par exemple les réactifs et les produits de ladite réaction).
En général, les brûleurs sont disposés de façon sensiblement parallèle à l'intérieur de l'enceinte de confinement, dans laquelle circulent les fluides de procédé.
Bien que présentant de nombreux avantages par rapport à une technologie classique, lesdits brûleurs radiants, qu'ils comprennent des matériaux métalliques réfractaires ou des matériaux céramiques, par exemple du carbure de silicium, sont cependant plus onéreux et de puissance thermique unitaire plus faible que les brûleurs classiquement utilisés dans les fours tubulaires.
Le demandeur a étudié de façon approfondie la possibilité de réduire le nombre de brûleurs.
En particulier, le choix de brûleurs de plus grandes dimensions, par exemple de diamètre supérieur à environ 0,6 mètre a été envisagé, en conservant un rapport longueur (radiante) utile sur diamètre du tube cylindrique compris typiquement entre 4 et 30, en particulier entre 5 et 20, afin de ne pas perturber l'écoulement hydrodynamique interne aux brûleurs. Les études ont cependant montré que l'augmentation de la dimension générale des brûleurs présentait cependant deux inconvénients notables : - une augmentation du coût de l'enveloppe de confinement du ou des fluides de procédé, la partie utile des brûleurs (surface radiante) étant disposée dans cette enveloppe dont le diamètre doit être augmenté en relation avec la dimension des brûleurs.
- des problèmes de fabrication accrus des gaines de brûleurs de grand diamètre, particulièrement lorsqu'on utilise des matériaux tels que du carbure de silicium.
Les demandeurs ont indépendamment trouvé qu'il était possible, de façon surprenante, d'augmenter la puissance unitaire des brûleurs radiants, mais sans modifier les dimensions générales desdits brûleurs, et ceci sans dégrader leur efficacité thermique.
L'installation objet de la présente invention comprend un four comprenant le plus souvent une pluralité de brûleurs radiants par exemple tel que décrit dans le brevet US 5,554, 347 ou tout moyen équivalent, mais avec un nombre de brûleurs réduit pour une même puissance thermique. La présente invention permet ainsi de réaliser par rapport aux techniques connues de l'art antérieur une économie substantielle sur le coût du four ainsi qu'un gain énergétique lors de l'utilisation du four.
Dans sa forme la plus générale, l'invention se rapporte à une installation de conversion chimique d'une charge pour la mise en oeuvre d'au moins une réaction chimique endothermique, comprenant un four comportant une pluralité de moyens d'échange de chaleur, lesdits moyens d'échange de chaleur étant disposés de façon à définir entre eux
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des passages adaptés pour la circulation dans le four du ou des fluides de procédé, au moins un desdits moyen d'échange de chaleur comprenant - au moins un moyen d'alimentation en comburant et au moins un moyen d'alimentation en combustible, - une chambre de combustion à l'intérieur de laquelle se développe une combustion entre ledit comburant et ledit combustible, - une enveloppe fermée et allongée traversant au moins en partie ledit four et dans laquelle circule les gaz chauds issus de ladite combustion, ladite enveloppe permettant un échange indirect de chaleur entre lesdits gaz et le ou lesdits fluides de procédé, - des moyens d'évacuation des gaz de combustion ayant échangé de la chaleur, ladite installation comprenant en outre des moyens permettant de réaliser ladite combustion à une pression supérieure à la pression atmosphérique.
En général, lesdits moyens permettant de réaliser ladite combustion à une pression supérieure à la pression atmosphérique comprennent des moyens d'injection sous pression du comburant.
Le plus souvent ladite pression est supérieure à 0,12 MPa, par exemple comprise entre 0,12 et 2 MPa. Préférentiellement ladite pression est supérieure à 0, 13 MPa, par exemple comprise entre 0,13 et 1,5 MPa. Très préférentiellement, ladite pression est supérieure à 0,14 MPa, et comprise entre 0,14 et 1 MPa.
En général, ladite enveloppe présente un diamètre compris entre 0,06 et 0,6 mètre, et un rapport longueur sur diamètre compris entre 4 et 30, préférentiellement entre 5 et 20.
Avantageusement, ladite enveloppe comprend au moins en partie du carbure de silicium.
Par exemple, lesdits moyens comprennent une turbine de détente des gaz chauds issus desdits moyens d'évacuation des gaz de combustion mécaniquement reliée à un compresseur, ledit compresseur étant en communication avec le ou lesdits moyens d'alimentation en comburant.
L'invention se rapporte également à une combinaison de moyens permettant d'optimiser le rendement énergétique de ladite installation. A cet effet, ladite installation peut comprendre en outre avantageusement une deuxième turbine de détente alimentée par une partie au moins des gaz issus de la première turbine de détente, ladite deuxième turbine étant couplée à un moyen de génération de puissance par exemple électrique, mécanique ou hydraulique.
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L'installation peut également selon l'invention comprendre des moyens d'échange thermique entre les gaz issus de la première ou de la deuxième turbine de détente et le ou les fluides procédés avant leur introduction dans le four.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, qui peut être associé aux précédents, une partie au moins des gaz de combustion issus de la première ou de la deuxième turbine de détente traversent une chaudière de production de vapeur. Cette chaudière peut avantageusement servir à la production de vapeur qui peut servir à diluer la charge alimentant le four.
La présente installation peut en particulier s'appliquer aux réactions de vapocraquage, de pyrolyse, de déshydrogénation catalytique et de vaporéformage catalytique d'hydrocarbures ou de coupes d'hydrocarbures.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation non limitatif de l'invention et de la figure 1 qui représente schématiquement une partie d'une installation permettant par exemple le vapocraquage d'une charge lourde d'hydrocarbures.
En se référant à la figure 1, un mélange d'une charge d'hydrocarbures et de vapeur d'eau alimente, par la ligne (1), une zone (2), de technologie connue, permettant la vaporisation des hydrocarbures, par exemple d'un naphta, et la formation d'un mélange gazeux hydrocarbures vaporisés/vapeur d'eau, surchauffé par exemple à environ 600 C. Ce courant d'hydrocarbures et de vapeur d'eau circule alors dans la ligne (3) pour alimenter un four (4) selon l'invention. Le four (4) comprend ainsi une pluralité de brûleurs radiants (6a), (6b), (6c), (6d) à l'intérieur desquels circulent les gaz de combustion. Lesdits brûleurs radiants comprennent en général a) une tête (22), généralement externe au four (4) et permettant à la fois leur alimentation en comburant et combustible et la collecte des fumées issues de la combustion et b) une enveloppe allongée (21) constituant la chambre de combustion et traversant tout ou partie du four, par exemple et de préférence tubulaire.
Selon l'invention, le courant d'hydrocarbures et de vapeur d'eau circulant à l'extérieur de cette enveloppe allongée est chauffé indirectement par les gaz de combustion chauds circulant à l'intérieur de ladite enveloppe.
Les brûleurs radiants comprennent le plus souvent une enveloppe tubulaire de section circulaire et une extrémité fermée ; on ne sortirait cependant pas du cadre de l'invention si les brûleurs comportaient en outre des bossages ou des ondulations ou des ailettes
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disposés sur leur enveloppe. Ladite enveloppe est le plus souvent et comme représenté sur la figure 1, suspendue verticalement dans l'enceinte du four.
Chacun des brûleurs (6a), (6b), (6c), (6d) comprend une alimentation de comburant sous pression, par exemple d'air sous pression, représentés schématiquement sur la figure 1 respectivement par les lignes (8a), (8b), (8c), (8d) et une arrivée d'un combustible le plus souvent gazeux, non représentée sur la figure 1. Le combustible le plus souvent gazeux est généralement disponible sous pression grâce à un réseau de distribution interne ou externe à l'installation.
Les fumées ou gaz de combustion, après avoir circulés dans l'enveloppe (21) sortent des brûleurs radiants (6a), (6b), (6c), (6d) respectivement par les lignes (9a), (9b), (9c), (9d) et sont mélangés dans la ligne (12) qui est selon l'invention le collecteur du réseau de gaz de combustion sous pression.
Les gaz de combustion sont alors détendus dans une turbine de détente (14) de technologie connue, reliée classiquement par un arbre (15) à un compresseur (13) du gaz comburant introduit par la ligne (10). Le plus souvent le gaz comburant alimenté par la ligne (10) est de l'air à pression atmosphérique. Il pourra comprendre également de l'air enrichi en oxygène ou de l'oxygène pur.
Selon le mode préféré de réalisation schématisé par la figure 1, la détente opérée dans la turbine (14) n'est que partielle et ajustée de façon à ce que la puissance mécanique produite par la turbine (14) permette de comprimer et d'injecter le comburant dans les brûleurs radiants (6a), (6b), (6c), (6d) à la pression d'injection voulue par l'opérateur. Ladite pression est obtenue par l'action du compresseur d'air (13). En général, du fait de la température élevée des gaz de combustion issus des brûleurs radiants, la puissance mécanique disponible dans la turbine (14) sera cependant supérieure à celle requise pour le simple entraînement du compresseur (13). En sortie de la turbine de détente (14), les gaz de combustion partiellement détendus sont alors préférentiellement évacués par la ligne (16) qui alimente une deuxième turbine de détente (23) permettant avantageusement une récupération et une conversion supplémentaire de l'énergie thermique encore disponible dans les gaz de combustion après la première détente dans la turbine (14). La température des gaz en entrée de la turbine (23) varie typiquement entre 700 et 500 C.
La turbine (23) génère de la puissance mécanique qui peut être utilisée par exemple pour l'entraînement d'un compresseur, non représenté sur la figure 1, ou l'alimentation d'un alternateur pour produire de l'énergie électrique.
En sortie de la turbine (23), les gaz de combustion détendus à une pression proche de la pression atmosphérique circulent dans la ligne (24). Avantageusement et tel que représenté sur la figure 1, une partie des gaz de combustion circule dans la ligne (17) et alimente la
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zone (2) pour la vaporisation et la surchauffe des hydrocarbures de la charge. Les gaz de combustion sont finalement évacués par la ligne (5).
Selon une variante de l'invention, une autre partie des gaz de combustion issus de la turbine (23) circule par exemple dans la ligne (18) et alimentent une chaudière (19), avant d'être évacués par la ligne (20).
La température de gaz de combustion entrant dans la turbine de détente (14) sera typiquement comprise selon l'invention entre 5000C et 1000 C. Selon l'invention, cette température est le plus souvent inférieure à la température des gaz de combustion à l'intérieur des brûleurs, la différence de température résultant d'un refroidissement des gaz de combustion avant leur sortie de chaque brûleur, par exemple dans un échangeur interne à chaque brûleur permettant le transfert de chaleur entre les gaz chauds de combustion sortant du brûleur et le comburant froid entrant dans le brûleur. Ledit refroidissement peut être par exemple nécessaire si la température des gaz chauds circulant dans les brûleurs radiants est trop élevée pour permettre leur circulation dans les conduites situées en aval desdits brûleurs dans le sens de circulation des fumées ou dans une turbine de détente.
Selon l'invention les brûleurs radiants sont de diamètre limité, en général inférieur à 0,6 m, ce qui rend leur installation plus aisée et leur fabrication plus facile, en particulier pour des brûleurs comprenant une enveloppe en carbure de silicium.
Selon le mode de réalisation particulier de l'invention illustré par la figure 1, l'introduction sous pression d'un comburant, typiquement de l'air, permet de réaliser dans les brûleurs radiants une combustion à une pression supérieure à la pression atmosphérique, et par suite d'augmenter le débit massique de ces trois courants en conservant les mêmes vitesses de circulation du comburant, de combustible (le plus souvent gazeux) et des gaz de combustion. La puissance thermique unitaire de chacun des brûleurs peut selon l'invention être ainsi augmentée et ce, sans modifier les dimensions géométriques desdits brûleurs.
Ainsi, l'énergie disponible dans les gaz de combustion d'un brûleur fonctionnant à deux fois la pression atmosphérique, est sensiblement le double de celle disponible dans les gaz du même brûleur fonctionnant à pression atmosphérique. Cette augmentation de la puissance unitaire des brûleurs permet d'en diminuer le nombre, pour une installation de capacité de charge donnée et donc de réduire le coût de cette installation.
En outre, l'utilisation de brûleurs sous pression conduit, dans le cas général d'un procédé de conversion chimique opérant à une pression sensiblement supérieure à la pression atmosphérique, à une diminution de la pression différentielle entre la charge et les gaz de combustion, ce qui est favorable du point de vue thermomécanique et permet une plus grande longévité des brûleurs.
Au niveau de l'efficacité thermique des brûleurs radiants (6a), (6b), (6c), (6d) dans le four (4), une combustion à une pression supérieure à la pression atmosphérique conduit selon
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l'invention à une augmentation de la température de l'enveloppe (surface radiante). Cet effet pourrait s'accompagner d'une réduction du rendement d'énergie calorifique transférée à la charge. Cet inconvénient peut avantageusement être en majeure partie évité ou évité en augmentant la surface de l'échangeur interne au brûleur, tel que décrit précédemment et permettant le transfert de chaleur entre les gaz de combustion et l'air d'alimentation.
De même, l'augmentation de la température des surfaces d'échange thermique avec les fluides du procédé peut avoir une influence néfaste sur la vitesse de formation de coke sur lesdites surfaces. L'utilisation de matériaux céramiques tel que du carbure de silicium, connus pour limiter ladite formation sera préférée selon l'invention.
Dans le mode de réalisation qui vient d'être décrit, l'obtention d'une combustion à une pression supérieure à la pression atmosphérique au sein des brûleurs radiants est obtenue par une alimentation desdits brûleurs par le comburant sous pression.
Les exemples 1 et 2 qui suivent permettront à l'homme de l'art de mieux apprécier les avantages de l'invention Exemple 1 :
Une charge de vapocraquage contenant un mélange comprenant de l'éthane et 60% poids d'eau surchauffée à une température de 6000C est introduite à un débit de 30 tonnes par heure (t/h) dans une installation comprenant un four horizontal comprenant des brûleurs radiants fonctionnant à la pression atmosphérique et d'une technologie telle que celle décrite dans le brevet US 5,554, 347. Ledit four présente une longueur totale utile de 14 mètres (m) et une section rectangulaire de 5 m sur 3 m. Le nombre de brûleurs est de 132 distribués en 6 canaux de 22 brûleurs. Les brûleurs sont alimentés par de l'air et du gaz naturel.
Chacun desdits brûleurs comprend une enveloppe allongée traversant le four, de diamètre égal à 0,3 mètre et de longueur égale à 2,5 mètres. La puissance unitaire calculée de ces brûleurs est de 330 kWatts. Lesdites enveloppes sont constituées de carbure de silicium. La température des gaz de combustion issus des brûleurs est de 800 C à la pression atmosphérique. Le four est configuré de telle sorte que le temps de résidence de la charge dans le four est proche de la seconde. La température de sortie des effluents en sortie du four est de 880 C. Le taux de conversion de l'éthane est de 80%.
Exemple 2 (selon l'invention) :
On reprend les mêmes conditions (même débit et même taux de conversion de l'éthane) que pour l'exemple 1 mais on injecte l'air sous pression de telle façon que la pression interne des
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brûleurs soit égale à 0,17 MPa. Une charge identique à celle de l'exemple 1 traverse le four avec un débit de 30 t/h.
Le four présente une longueur totale utile de 8 mètres et une section rectangulaire de 5 m sur 3 m. Le nombre de brûleurs est de 78 distribués en 6 canaux de 13 brûleurs. Les brûleurs sont alimentés par de l'air et du gaz naturel. La surface des échangeurs internes à chaque brûleur et permettant le transfert de chaleur entre les gaz chauds de combustion sortant du brûleur et le comburant froid entrant dans le brûleur est supérieure de 60% à celle de l'exemple 1.
Chacun desdits brûleurs comprend une enveloppe allongée traversant le four, de diamètre égal à 0,3 mètre et de longueur égale à 2,5 mètres. Lesdites enveloppes sont constituées de carbure de silicium. La température des gaz de combustion issus des brûleurs est de 850 C. Le four est configuré de telle sorte que le temps de résidence de la charge dans le four est proche de la seconde. La température de sortie des effluents en sortie du four est de 880 C.
La puissance unitaire calculée de ces brûleurs est de 530 kWatts.
On constate donc une augmentation significative de la puissance unitaire de caque brûleur radiant. Cette augmentation pourra par exemple permettre, selon les besoin, de diminuer la taille du four sans en diminuer les performances ou d'augmenter lesdites performances, pour un volume utile du four constant.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS 1. Installation de conversion chimique d'une charge pour la mise en oeuvre d'au moins une réaction chimique endothermique, comprenant un four comportant une pluralité de moyens d'échange de chaleur (6a, 6b, 6c, 6d), lesdits moyens d'échange de chaleur étant disposés de façon à définir entre eux des passages adaptés pour la circulation dans le four du ou des fluides de procédé, au moins un desdits moyen d'échange de chaleur comprenant au moins un moyen d'alimentation en comburant (10,11) et au moins un moyen d'alimentation en combustible, une chambre de combustion (22) à l'intérieur de laquelle se développe une combustion entre ledit comburant et ledit combustible, une enveloppe (21) fermée et allongée traversant au moins en partie ledit four et dans laquelle circule les gaz chauds issus de ladite combustion, ladite enveloppe permettant un échange indirect de chaleur entre lesdits gaz et le ou lesdits fluides de procédé, des moyens (9a, 9b, 9c, 9d) d'évacuation des gaz de combustion ayant échangé de la chaleur, ladite installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens permettant de réaliser ladite combustion à une pression supérieure à la pression atmosphérique.
  2. 2. Installation selon la revendication 1 dans laquelle lesdits moyens permettant de réaliser ladite combustion à une pression supérieure à la pression atmosphérique comprennent des moyens d'injection sous pression du comburant.
  3. 3. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle ladite pression est comprise entre 0,12 et 2 MPa.
  4. 4. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle ladite enveloppe (21) présente un diamètre compris entre 0,06 et 0,6 mètre, et un rapport longueur sur diamètre compris entre 4 et 30.
  5. 5 Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle ladite enveloppe (21) comprend au moins en partie du carbure de silicium.
  6. 6. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle lesdits moyens permettant de réaliser ladite combustion à une pression supérieure à la pression atmosphérique comprennent une turbine de détente (14) des gaz chauds issus des
    <Desc/Clms Page number 10>
    moyens d'évacuation (9a, 9b, 9c, 9d) mécaniquement reliée à un compresseur (13), ledit compresseur (13) étant en communication avec le ou lesdits moyens d'alimentation en comburant (10, 11).
  7. 7. Installation selon la revendication 6 comprenant en outre une turbine de détente (23) alimentée par une partie au moins des gaz issus de la turbine de détente (14), ladite turbine (23) étant couplée à un moyen de génération de puissance électrique, mécanique ou hydraulique.
  8. 8. Installation selon l'une des revendications 6 ou 7 comprenant en outre des moyens d'échange thermique (2) entre les gaz issus de la turbine de détente (14) et le ou les fluides procédés avant leur introduction dans ledit four (4).
  9. 9. Installation selon l'une des revendications 6 à 8, dans laquelle une partie au moins des gaz de combustion issus de la turbine de détente (14) traversent une chaudière (19) de production de vapeur.
  10. 10. Application de l'installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 aux réactions de vapocraquage, de pyrolyse, de déshydrogénation catalytique ou de vaporéformage catalytique d'hydrocarbures ou de coupes d'hydrocarbures.
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