Séminaire Fours & Chaudieres (Naftec) [PDF]

Zitiervorschau

Sommaire Page Chapitre I : Rappel de transfert de chaleur 1. Généralités…………………………………………………………….01 2. Conduction………..…………………………………………………..03 3. Convection...…………………………………………………………..06 4. Rayonnement.…………………………………………………………07 5. Exemple industriel…………………………………………………….08 Chapitre II : La combustion 1. Définitions………….…………………………………………………09 2. La flamme.……………………………………………………………09 3. Nature et caractéristiques des combustibles..……………………….10 4. Définition de la chaleur de combustion…...………………………...11 5. Réactions de combustion…...………………………………………...11 6. Composition théorique des fumées………………………………….13 7. Teneur théorique des produits agressifs…………………………….13 8. Pouvoirs calorifiques supérieur et inférieur………………………...14 9. Enthalpie des fumées…………………………………………………14 10. Température de combustion…………………………………………15 11. Brûleurs………………………………………………………………19 Chapitre III : Les fours 1. Utilisation des fours...………………………………………………...21 2. Caractéristiques générales des fours tubulaires……………………...21 3. Constitution d’un four tubulaire……………………………………..24 4. Description des différents types de fours…………………………...27 5. Description détaillée d’un four tubulaire……………………………33 6. Rendement thermique d’un four..……………………………………42 7. Méthodes de nettoyage des tubes d’un four……………………….44 8. Régulation et instruments de contrôle………………………………49 9. Sécurité des fours…………………………………………………….54 Chapitre IV : Les chaudières 1. Composition de l’eau………………………………………………..56 2. Composition de l’eau………………………………………………..57 3. Description de la chaudière………………………………………….66 4. Circuits d’une chaudière……………………………………………..70 5. Description d’une chaudière à foyer intérieur et tubes de fumées… 72 6. Autres types de chaudières……………………………………………73 Chapitre V : Applications Bibliographie

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

CHAPITRE I : Rappel de Transfert de Chaleur 1 / Généralités : On appelle transfert de chaleur, les processus par lesquels de l'énergie est échangée sous forme de chaleur entre des corps ou des milieux à des températures différentes T1 et T2. La chaleur peut être transmise par conduction, convection ou rayonnement. Bien que les trois processus puissent avoir lieu simultanément, l'un des mécanismes est généralement prépondérant. Par exemple, la chaleur est principalement transmise par conduction à travers les murs en brique d'une maisonҐ; l'eau dans une casserole placée sur une cuisinière est surtout chauffée par convectionҐ; la Terre reçoit sa chaleur du Soleil en grande partie par rayonnement. Le flux engendré dans le transfert est proportionnel à la différence de température T1 - T2 et à la section de passage S du flux: ) = h S (T1 - T2) h s’interprète comme un coefficient d’échange de chaleur. Cependant, cette relation n’est valable qu’au premier ordre, car le plus souvent, le coefficient h dépend de la température. On introduira souvent la quantité ) / S, qui est la densité de flux, et qui s’exprime en W/m2 Les différents modes de transferts de chaleur seront étudiés en détail dans la suite de ce cours. Le problème sera de déterminer le coefficient h dans chacun des modes envisagés ci-après.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 -1-

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

la conduction. a) la conduction

Ce transport de chaleur se produit au sein d'une même phase - au repos ou mobile, mais tranquille (absence de remous) - en présence d'un gradient de température. Le transfert de chaleur résulte d'un transfert d'énergie cinétique d'une molécule à une autre molécule adjacente. Ce mode de transfert est le seul à exister dans un solide opaque. Pour les solides transparents, une partie de l'énergie peut être transmise par rayonnement. Avec les fluides que sont les gaz et les liquides, la convection et le rayonnement peuvent se superposer à la conduction. b) la convection. Le transfert de chaleur par convection se produit entre deux phases dont l'une est généralement au repos et l'autre en mouvement en présence d'un gradient de température. Par suite de l'existence du transfert de chaleur d'une phase à l'autre, il existe dans la phase mobile des fractions du fluide (ou agrégats) ayant des températures différentes. Le mouvement du fluide peut résulter de la différence de masse volumique due aux différences de températures (on parle alors de convection libre ou naturelle) ou à des moyens purement mécaniques (on parle alors de convection forcée). -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 -2-

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Lorsqu'un fluide est en écoulement, une partie du transfert de chaleur dans le fluide se fait également par conduction et, dans le cas d'un fluide transparent, un transfert de chaleur par rayonnement peut accompagner les deux transferts précédents. c) le rayonnement. Un point matériel chauffé émet un rayonnement électromagnétique dans toutes les directions situées d'un même côté du plan tangent au point matériel. Lorsque ce rayonnement frappe un corps quelconque, une partie peut être réfléchie, une autre transmise à travers le corps (dit diathermique si tout est transmis), et le reste est quantitativement absorbé sous forme de chaleur. Si on place dans une enceinte deux corps capables d'émettre un rayonnement thermique, il existe entre ces deux corps à températures différentes un échange de chaleur dû à l'absorption et à l'émission de ces rayonnements thermiques. Cet échange de chaleur est désigné habituellement sous le nom de rayonnement. Les transferts par rayonnement se poursuivent même lorsque l'équilibre thermique est atteint, mais le débit net de chaleur échangé est nul. Ce type de transport de chaleur est analogue à la propagation de la lumière, et il ne nécessite aucun support matériel, contrairement aux écoulements. Les gaz, les liquides et les solides sont capables d'émettre et d'absorber les rayonnements thermiques. Dans de nombreux problèmes de transformation d'énergie thermique, les trois modes de transfert de chaleur coexisteront mais, généralement, au moins une des trois formes pourra être négligée, ce qui simplifiera le traitement mathématique de l'appareil de transfert. Nous pouvons dire dès à présent, qu'aux températures ordinaires, le transport par rayonnement est négligeable, mais il peut devenir notable et prépondérant lorsque le niveau de température augmente. En outre, signalons que certains transferts thermiques sont accompagnés d'un transfert de matière entre deux phases. Le flux de chaleur transféré en présence d'un changement de phase dépend de la nature et des propriétés physicochimiques des phases en présence. C'est le cas de l'ébullition, de la condensation, mais aussi des problèmes d'humidification, de séchage, de cristallisation, etc. Dans ce qui suit nous allons présenter, pour les trois types de transport de la chaleur, les lois générales qui les gouvernent. Puis nous traiterons, de manière simple, quelques applications où le mode de transport de chaleur étudié est prédominant.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 -3-

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

2 / CONDUCTION : L’échange de chaleur par conduction est défini par la relation de FOURIER (1822) ; la valeur instantanée de la quantité de chaleur transmise dans l’unité de temps est proportionnelle : - à la section plane perpendiculairement traversée par le flux calorifique. - A la conductivité thermique du matériau traversée qui dépend des propriétés physiques de la matière. - Au gradient de température qui est le rapport de la variation de la température à la distance parcourue par le flux calorifique.

dQ dt

 O .S

dT dL

dq :quantité de chaleur dt : temps dT :température dL : épaisseur du matériau traversé par le flux de chaleur S : section traversée par le flux de chaleur O : coefficient de conductivité thermique du matériau. On voit que le gradient de température (dT/dL) est négatif dans l’équation cidessus :cela signifie que le flux calorifique va du chaud au froid. le signe du gradient est opposé à celui du flux. Dans le tableau 1, sont reportées les conductivités de quelques corps solides, liquides et gazeux. D'une façon générale, les métaux sont beaucoup plus conducteurs de chaleur que les substances non métalliques. Les gaz sont plutôt mauvais conducteurs : le caractère isolant de la laine de verre est dû à la présence de l'air emprisonné entre les fibres.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 -4-

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Tableau 1

Aluminium

(W/mxK) 419 386 204

Fer (pur)

73

Acier Inox

16 8,2

Matériau Argent Cuivre

Mercure

Matériau Grès Verre Chêne Laine de verre Eau Air

(W/m/K) 1,8 0,78 0,17 0,038 0,556 0,0262

On trouvera d'autres valeurs dans le Handbook of Chemistry and Physics

Le calcul intégral permet de généraliser la loi de Fourier à des corps de forme quelconques . Exemples d’applications. 2.a- paroi plane de longueur L. q

R K

SO'T L

'T § L · ¨ ¸ © SO ¹

§ L · ¨ ¸ © S .O ¹ 1 S .O RTh L

Résistance thermique Conductance thermique

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 -5-

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

2.b- paroi composite plane (murs composés)

Une paroi peut être composée de plusieurs matériaux différents en contact physique les uns avec les autres sur une surface S. L’épaisseur de la paroi est L et chacun des matériaux à une épaisseur L1, L2, L3,….Ln, Telle que L=™Li. Les matériaux constituant la paroi ont des conductivités thermiques qui sont, respectivement Ȝ1, Ȝ2, Ȝ3. T1,T4 températures des deux extrémités en °C Chaque élément de paroi est traversé par le même flux thermique : Q=q1=q2=q3=…….qn=cte q1

§ L · ¨ ¸ © O.s ¹

T1  T 2 § L1 · ¸ ¨ © O1S ¹

q2

T 2 T3 § L2 · ¨¨ ¸¸ © O2 S ¹

C’est la résistance thermique donc q

q3

T1  T 4 ¦RThermique

T3 T4 § L3 · ¨¨ ¸¸ © O3 S ¹

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 -6-

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

2.c- paroi cylindrique : L : longueur de la paroi cylindrique re, ri rayons extérieur et intérieur du cylindre T1, T2 températures correspondant respectivement à ri et re

Q

2 3 L O T 1  T 2 r Ln e ri

2.d- paroi sphérique : En régime permanent, la formule donnant le flux de chaleur est

Q

4 3 L O re ri T 1  T 2 re  ri

Toujours T1 est supérieure à T2 3 / CONVECTION : Le transfert de chaleur par convection apparaît entre deux phases dont l'une au moins est mobile, en présence d'une différence de température. Le mouvement des phases peut être provoqué par une dégradation d'énergie mécanique, le transfert de chaleur est dit de convection forcée. Le mouvement peut être provoqué par l'existence même du transfert de chaleur par suite de l'apparition dans le milieu d'une différence de masse volumique, le transfert de chaleur est dit de convection naturelle ou libre. Dans ce qui suit, nous nous limiterons au transfert de chaleur par convection forcée qui est le mode de transfert de chaleur essentiel pour de nombreux appareils industriels de transfert de l'énergie thermique. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 -7-

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

3.a- Applications: - faire bouillir de l’eau dans une casserole - évaporateur, condenseur, échangeur dans un procédé - radiateur associe au moteur d’une voiture. 3.b- Loi fondamentale de la convection : Le flux de chaleur transmis par convection entre une surface et un fluide est donné par la relation suivante : QC = h S ( Ts - Tf )

NEWTON

Avec Qc : le flux de chaleur par convection (KCAL/hr) hc : coefficient d’échange de chaleur (KCAL/hm2°C) S : surface d’échange (m2) où surface de contact entre le fluide et le solide (ts-tf) :différence de température entre la surface du solide Ts et celle du fluide tf .loin de la surface(°C). hc.S = kc conductance thermique par convection 1/hc.S= RC résistance thermique par convection 4 / Rayonnement Le rayonnement thermique est un transfert de chaleur sans le support de la matière 4.a- Bilan énergétique relatif à un rayonnement incident Lorsque un flux d’énergie ĭi rayonnée rencontre un corps - une partie de l’énergie est absorbée ( ĭa) . - Une partie est réfléchie ( ĭr) - Une partie continue son trajet après avoir traversé le corps (ĭt)

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 -8-

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

NB : - Si toute l’énergie incidente est absorbée le corps est appelé corps noir - Si une partie de l’énergie est absorbée, mais que cette partie est constante quelque soit la longueur d’onde de l’énergie incidente, le corps est appelé corps gris (dans le cas contraire, c’est un corps coloré). - Si aucune énergie ne traverse le corps,ce corps est appelé opaque (le contraire de transparent) 4.b- loi fondamentale du rayonnement Qr = S HV (T4 1– T 42) loi de STEFAN-BOLTZMAN (1879) Avec : Qr :flux de chaleur échangé par rayonnement entre corps 1 et 2 V: La constante de Boltzmann = 4.88.10-8Kcal / h.m2(°K)4 S : surface du corps 1 H: Facteur qui tient compte des facteurs d’emmisivité des deux corps et des géométries relatives. NB : Pour un corps noirH 

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 -9-

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

5 /. Exemple industriel d’illustration des différents modes de transfert de chaleur

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 10 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

CHAPITRE II : La combustion La combustion est l’ensemble des réactions chimiques, produites au cours de l’oxydation complète ou partielle du carbone, du soufre des combustibles, qui donnent, généralement, naissance à une flamme. 1 - Définitions : • Combustion neutre : combustion sans excès d’air, ni défaut d’air et sans imbrûlés. • Combustion oxydante : combustion effectuée avec excès d’air ; mais l’excès d’air n’est pas une garantie de combustion complète (sans imbrûlés). ** Impératifs de la combustion : • Elever la température des réactants à la température d’inflammation. • Conserver cette température d’inflammation, donc être dans les limites d’inflammation. • Propager la combustion. ** Vitesse de déflagration Vd : C’est la propagation normale dans les brûleurs (ordre de grandeur de Vd : 1m/s). La vitesse de déflagration dépend : • Du combustible (elle est environ trois fois plus pour l’hydrogène que pour les hydrocarbures); • De la température initiale ; • Elle croit avec le diamètre du conduit et la turbulence. 2-La flamme : La flamme est le volume dans lequel s’effectue les réactions de combustions ; il peut être plus grand que la partie visible qui est couramment considérée comme la flamme. On peut distinguer deux sortes de flammes selon la manière dans s’effectuent les mélanges comburant /combustible : • Les flammes de pré - mélange. • Les flammes de diffusion. On peut, bien entendu, avoir des flammes pour lesquelles on se situe entre ces deux limites. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 11 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

2.a - Flammes de combustible gazeux Flamme de pré mélange D’un mélange homogène de combustible gazeux et de comburant, s’effectue en grande partie sur une surface appelée front de flamme , d’épaisseur très faible au dela de cette surface ,sur laquelle 95% de la combustion ,on a un mélange résultant de la combustion du combustible restant ,par l’oxygène de l’espace ambiant ,qui diffuse en sens inverse de l’écoulement du gaz . Flamme de diffusion Le combustible gazeux et le comburant sont introduits séparemment .Par diffusion les deux gaz vont se mélanger progressivement .Le mélange sera d’autant plus accentué que la turbulence sera forte .La longueur de la flamme est grande par rapport à celle obtenue avec une flamme de prémélange . 2.b - Flamme de combustible liquide : Le combustible liquide est pulvérisé en fines gouttelettes. Les gouttelettes vont, par détente et chauffage dans l’ouvreau du brûleur, se vaporiser et éventuellement cokefier. les vapeurs vont diffuser dans le comburant, le comburant va diffuser dans le sens contraire pour venir oxyder les particules de coke. Globalement on a ainsi une flamme de diffusion. 3- Nature et caractéristiques des combustibles : Les principaux combustibles utilisés dans les fours pétroliers et pétrochimiques sont : • Gaz naturel • Fuel - gaz de raffinerie • Fuel-oils légers et lourds • Résidus légers et lourds • Essences Fuel-gaz de raffinerie Poids moléculaires …………………..de 8 à 35 H2 (% vol.)………………………… 5% en moyenne PCI (kcal/kg )……………………….....1500 à15000

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 12 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Fuel-oils PCI (kcal/kg )…………………………… 9500 à 9800 Soufre (% Poids)…………………………4 à 5 Viscosité (cSK à 50°c)…………………... 0 à 1500 Densité ………………………………….0.8 à 1 Vanadium………………………………..jusqu’à400 ppm 4 - Définition de la chaleur de combustion On appelle « chaleur de combustion » à pression constante d’un corps simple ou d’un composé chimique définie le nombre de calorie dégagé par la combustion avec l’oxygène d’une partie de ce combustible égale à une unité de masse .La combustion a lieu à la pression normale de 760 mmHg avec le combustible, l’oxygène, les fumées pris à la température initiale de 0°c, et l’eau produite par la combustion totalement condensée. 5- Réaction de combustion Connaissant la composition des combustibles, l’excès d’air imposé et le taux de la vapeur de pulvérisation des brûleurs, nous résoudrons l’équation de réaction afin de déterminer la composition des gaz provenant de la combustion. En effet, il sera utile de connaître cette composition pour : • Dimensionner le four • Dimensionner les carnaux et la cheminée • Evaluer la quantité de produit agressifs libérée. Les principales réactions de combustion neutres sont données dans le tableau ci-dessous, avec une température de référence 0°c.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 13 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Ces réaction permettent de déterminer la quantité d’air nécessaire aux brûleurs ainsi que la composition et la quantité de fumées sèche et humide produites à partir d’un combustible déterminé. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 14 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

6- Composition théorique des fumées La composition théorique des fumées s’exprime en pour-cent volume ou pour-cent poids. On obtient ces valeurs à partir du nombre de molécule des constituants que l’on détermine à l’aide des équations des réactions. Soit par les principaux constituants de fumées humides provenant de la combustion de 1kg de combustible : Il vient : Poids spécifique fumées =

6 PMi ni x 10-3 6 0, 0224 ni x 10-3

Volume spécifique fumées =1/ poids spécifique fumées = 6 0,0224 ni 6 PMi ni x 10-3 7- Teneur théorique en produits agressifs La connaissance de teneur des fumées en produits agressifs s’impose aujourd’hui du fait de la réglementation sur la pollution atmosphérique. Les principaux produits agressifs contenus dans les fumées produites par les combustibles utilisés sont le CO2, le SO2 et le NO. Les valeurs spécifiques de ses constituants sont données en tête du tableau ci-contre.

Produits CO2 agressifs SO2 N2 O2 H2O

Poids moléculaire

Nombre De moles

% volume

Poids (Kg/Kg)

Volume (Nm3/Kg)

44 64 28 32 18

n1 n2 n3 n4 n5

n1/N n2/N n3/N n4/N n5/N

44n1 x 10-3 64n2 x 10-3 28n3 x 10-3 32n4 x 10-3 18n6 x 10-3

0.0224n1 0.0224n2 0.0224n3 0.0224n4 0.0224n5

N

100.00

™PMini x 10-3 ™0.0224ni

Total

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 15 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

8- Pouvoir calorifique supérieur et inférieur On appelle pouvoir calorifique supérieur (PCS) la quantité de chaleur, exprimée en Kilocalories, dégagée par la combustion à pression constante de 760 mmHg de 1 kilogramme ou de 1 normal mètre cube d’un combustible étant ramenés à la température de référence (0°c). On appelle pouvoir calorifique inférieur (PCI) la quantité de chaleur dégagée dan les mêmes conditions que le PCS, mais en admettant que la vapeur provenant de la réaction de combustion n’est pas condensé. Les deux valeurs sont liées pour les gaz et les liquides par des relations respectives suivantes en négligeant la contraction du mélange combustible et comburant : PCI = PCS – 10, 9 n pour les gaz PCI = PCS – 53 H pour les liquides

n = nombre de moles H2O H = % poids de l’hydrogène du Combustible

9-Enthalpie des fumées : L’enthalpie des fumées est la chaleur spécifique de ces fumées a cette température. La chaleur spécifique moléculaire des gaz constituants les fumées varie en fonction de la température suivant les formules ci-après, lesquelles peuvent être utilisées sans grands risques d’erreurs pour les niveaux de températures considérés exprimés en degrés Celsius : O2, N2, H2, CO il vient : Cp =6,8 + 12 x 10-4 t (kcal/kmole) H 2O il vient : Cp =8,1 + 58 x 10-4 t (kcal/kmole) CO2 il vient : Cp =8,5 + 74 x 10-4 t (kcal/kmole) D’où la notion de la chaleur d’échauffement des gaz. On appelle chaleur d’échauffement d’un gaz de t0 à t1 le nombre total de kilocalories qu’il faut céder à ce gaz pour effectuer cette élévation de température. Inversement la chaleur d’échauffement moléculaire donne la quantité de chaleur qu’un gaz cédera en se refroidissant, d’où les formules suivante : chaleur d’échauffement moléculaire à pression constante de 0°c à t°c en kilocalories :

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 16 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Gaz parfaits (O2, N2, H2, CO) Vapeur d’eau (H2O) Gaz carbonique (CO2) Méthane (CH4)

Qp = 0,0068 t + 0,0000006 t² Qp = 0,0081 t + 0,0000029 t² Qp =0,0085 t + 0,0000037 t² Qp =0,0098 t + 0 ,000006 t²

Chaleur d’échauffement à pression constante de 0°c à t°c en kilocalories, rapportée à 1 normal mètre cube de gaz (0°c et 760 mmHg) : Gaz parfaits (O2, N2, H2, CO) Vapeur d’eau (H2O) Gaz carbonique (CO2) Méthane (CH4)

Qp = 0,305 t + 0,000027 t² Qp = 0,363 t + 0,000130 t² Qp =0,381 t + 0,000166 t² Qp =0,439 t + 0 ,000269 t²

10-Température de combustion : On distingue quatre températures de combustion : -Température théorique -Température potentielle ou température théorique avec excès d’air -Température effective -Température pratique ou température d’équilibre. 10.a- Température théorique C’est la température que prendraient les produits d’une combustion si celle-ci était neutre, complète et athermane. La température théorique est donnée par la formule : Tt = T + PCI / F.c T : température ambiante PCI : exprimé en kcal/kg F : quantité de fumées en kg c : chaleur spécifique en kcal/kg, degré Celsius avec en première approximation : C = 0,24 + 3 x 10-5 (tp + T) Avec tp : température potentielle

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 17 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Le tableau ci-dessous donne les températures théoriques de quelques gaz. Température de combustion Pour air à 0° c 2 000°c 2 142°c 1 850°c 2 400°c

Nature H2 CO CH4 C2H2 10.b- Température potentielle :

C’est la température que prendraient les produits d’une combustion complète et athermane avec excès d’air. La température potentielle est donnée par la même formule que la température théorique avec la quantité de fumées F1 calculée en fonction de l’excès d’air, d’où : Tt = T + PCI / F.c Cette température caractérise l’excès d’air nécessité par les types de l’équipement de chauffe et de la chambre de combustion combinés pour brûler correctement le combustible considéré. Elle permet également de situer le niveau thermique des fumées dans les différentes zones d’échange et contribue pour une large part au dimensionnement de la zone de convection. 10.c- Température effective de combustion C’est la température que prendrait les produits d’une combustion complète et athermane avec excès d’air compte tenu de la chaleur absorbée par les dissociations qui se produisent dans les fumées

te = T + PCI - Qd F1 c Avec Qd = chaleur de dissociation.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 18 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Le calcul de te se fait par approximations successives en supposant au départ que te, ce qui permet de calculer Qd d’après la composition des fumées et les constantes d’équilibre chimique. 10-d - Température pratique de combustion : La température pratique de combustion, appelée aussi température d’équilibre, est celle que l’on obtiendrait si la flamme était à une température uniforme. Si l’on pose : (1 – D) = pertes par les imbrûlés (1 - E) =pertes par les parois q =quantité de chaleur rayonnée sur les murs par kg ou m3 de combustible tpr =température pratique de combustion il vient : DE PCI = q + F1 c (tpr –T)

(1)

Si l’on pose : p = quantité de combustible en kg ou en m3 brûlée en 1 heure Q = flux de chaleur rayonnée par la flamme en kcal/h Il vient : Q = pq

(2)

Or on démontre que : Q = UµS [(tpr + 273)4 – (t + 273)4] µ S tpr t

Facteur qui dépend de la forme du foyer ,coefficient de rayonnement mutuel qui dépend de la nature de la flamme et de la surface réceptrice surface de la flamme température pratique de la combustion = température moyenne de la flamme température de la surface réceptrice

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 19 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Il en résulte que : DE PCI = UµS [(tpr + 273)4 – (t + 273)4] / P+ + F1 c (tpr –T) Pour résoudre cette équation, on peut tracer la courbe / Y = UµS [(tpr + 273)4 – (t + 273)4] / P + F1 c (tpr –T) Et la couper par la droite : y = DE PCI Il convient d’attirer l’attention sur l’équation qui permet d’expliquer le phénomène que nous appellerons « paradoxe des flammes chauffantes ». L’équation Q = UµS [(tpr + 273)4 – (t + 273)4] Montre que, si U µ S ont des valeurs données, la flamme chauffe d’autant plus que tpr est élevé. Cela signifie en langage vulgaire q’une flamme de surface (S) et de nature (U) données, contenue dans un foyer donné (µ) dont les parois sont à une température donnée (t) chauffe d’autant plus que sa température est plus élevé. On pourrait être tenté de croire que de deux flammes quelconques c’est toujours la plus chaude qui chauffe le plus. Or, cela n’est pas nécessairement vrai. Brûlons du gaz haut fourneau dans un foyer de chaudière. La flamme est à peine visible et son rayonnement est extrêmement faible. Carburons la flamme par une petite injection de benzène. Elle devient brillante et son rayonnement augmente dans une proportion considérable. Pourtant, si l’on mesure la température de la flamme dans les deux cas avec un pyromètre à aspiration, on trouve que la température de la deuxième flamme est plus faible. Ce résultat s’explique par l’équation dans laquelle tpr a diminué mais U a augmenté de sorte que, dans l’ensemble, Q a augmenté. On peut d’ailleurs pousser plus loin le raisonnement et montrer qu’il doit bien en être ainsi.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 20 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

La comparaison des équations (1) et (2) des pages précédentes donne : Q = P [DE PCI – F1 c (tpr - T)] Q=P[

DE PCI = (tpr – T)] F1 c F1 c

Or, d’après la définition de la température potentielle tp, on a : DE PCI = tp –T F1 c D’où : Q = P F1 c (tp – tpr) Puisque PCI et F1 n’ont pas changé, les deux flammes ont la même température potentielle. On voit ainsi que le flux de chaleur rayonné Q augmente quand la température pratique tpr diminue. Cela résulte immédiatement d’ailleurs du principe de l’état initial et de l’état final. Il semble paradoxal de dire qu’une flamme chauffe plus parce qu’elle est moins chaude. Le même résultat semble naturel au contraire si l’on dit que la flamme est moins chaude parce qu’elle chauffe davantage. Ne pas perdre de vue que cela n’est vrai qu’à égalité de température potentielle ; Si les températures potentielles sont différentes, il est impossible de prévoir laquelle des deux flammes a le grand rayonnement. 11 . Brûleurs (types, fonctionnement et réglage) : 11.1 . Définition Les brûleurs ont pour rôle de provoquer le mélange intime de l’air et du combustible en vue d’obtenir la combustion complète de celui-ci. L’air de combustion est introduit par des volets d’air réglables du fait, la plupart du temps, de la dépression qui règne dans le four. Le combustible, gaz ou huile, débouche dans le courant d’air au centre d’un ouvreau réfractaire qui, par la chaleur qu’il rayonne, assure la stabilité de la flamme. Un brûleur est conçu pour brûler soit du gaz, soit de l’huile. Certains brûleurs sont équipés pour brûler l’un ou l’autre combustible. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 21 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

11.2. Les brûleurs à gaz : Ils sont de deux types : soit à pré mélange (brûleurs à air induit), soit sans pré mélange. Dans les premiers, a. Les brûleurs à mélange : une partie de l’air de combustion est mélangé au combustible avant que celui-ci ne débouche au du brûleur. Ce pré mélange permet d’obtenir une combustion plus rapide mais ce type de brûleur ne peut être utilisé sur le gaz dans lesquels la vitesse de propagation de la flamme est élevée (gaz riche en hydrogène). b. Les brûleurs sans pré mélange : Ils donnent une flamme de diffusion, l’air de combustion entrant dans le four parallèlement au jet de gaz et diffusant lentement dans celui-ci. Ils donnent une flamme plus longue et plus lumineuse que ceux à pré mélange. Pour obtenir la combustion de l’huile, il faut que celle-ci soit finement pulvérisée dans le courant d’air de combustion. Cette pulvérisation s »’obtient soit à l’aide des vapeurs d’eau, soit mécaniquement. Dans les brûleurs pulvérisation à la vapeur, l’huile combustible et la vapeur sont mélangées dans une chambre de mélange et sortent ensemble par l’orifice des brûleurs sous l’aspect d’une mousse qui se résout en très fines particules. La consommation de vapeur et d’environ 35% du pois de celle du combustible. 11.3 - les brûleurs à pulvérisation mécanique : L’huile arrive sous haute pression au nez du brûleur où elle est pulvérisée par la détente dans l’orifice de sortie. 11.4. Les brûleurs à pulvérisation à la vapeur : Ils ont une souplesse de fonctionnement beaucoup plus grande que ceux à pulvérisation mécanique. Pour ceux-ci, en cas de modification importante de régime de marche, il est nécessaire de changer l’orifice pour obtenir une pulvérisation correcte. L’huile doit être réchauffée avant d’arriver aux brûleurs à une température telle que sa viscosité soit suffisamment faible ( de l’ordre de 3 à 50 Angler ). D’autre part, la vapeur de pulvérisation doit être légèrement surchauffée pour être complètement séchée.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 22 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Les brûleurs ont pour fonction de réaliser la combustion et d’assurer : •le mélange du combustible et du comburant, de façon à ce que chaque molécule de l’un puisse trouver la ou les molécules de l’autre, auxquelles elle va s’associer ; •l’inflammation du mélange ; •la stabilité de la combustion, tout en assurant une combustion complète. Pour effectuer cette combustion complète on met de l’air en excès par rapport à la valeur stœchiométrique. Cet excès d’air augmente la consommation du combustible, puisque cet air ambiant va être rejeté à la température des fumés. La perte de rendement due l’excès d’air est d’autant plus forte que la température des fumés est élevée, donc que le rendement thermique du four est bas. A la limite, pour un four qui aurait un rendement de 100%, l’excès d’air n’aurait pas d’importance. Si l’on réduit l’excès d’air en dessous de la valeur qui conduit à la combustion complète, la teneur en imbrûlé croît et fait perdre le grain que l’on escomptait en réduisant l’excès d’air, et ceci de deux façons : • Instantanément : on perd de la chaleur de combustion des imbrûlés ; • Dans le temps par effet cumulatif : les imbrûlés peuvent encrasser les surfaces d’échanges, ce qui conduit à une élévation de température des fumées et donc à une perte de chaleur sensible. 11.5 - Brûleurs soufflés et brûleurs à tirage naturel Il n’y a pas de différence essentielle entre un brûleur soufflé et un brûleur dit à « tirage naturel ». la différence ne se situe qu’au niveau de la perte de pression subit par l’air dans le brûleur. Cette différence de pression et générée : • par u ventilateur pour les brûleurs soufflés (perte de pression dans les brûleurs jusqu’à environ 250 daPa) leur capacité peut atteindre jusqu’à 80mw ; • par le tirage du four pour les brûleurs dits à « tirage naturel » (perte de pression de 6 à 20 daPa) leur capacité peut atteindre 7mw.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 23 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

CHAPITRE III : Les Fours Dans la plupart des unités de raffinage ou de pétrochimie l’apport de l’énergie thermique requise par le procédé se fait par l’intermédiaire de fours à chauffage direct dans lesquels l’énergie produite par la combustion est transmise directement au fluide à réchauffer qui circule dans un serpentin tubulaire ou un faisceau de tube. C’est la raison pour laquelle est appelé four tubulaire.

1. Utilisation des fours tubulaires : Les usages des fours tubulaires sont multiples mais chaque cas nécessite une étude particulière dans le but de concevoir le four le plus économique et le mieux adapté aux conditions imposées. On peut citer les exemples suivants : ¾ Réchauffage d’un fluide sans changement de phase ¾ Réchauffage d’un fluide avec vaporisation partielle ¾ Réchauffage d’un fluide avec réaction chimique

2. Caractéristiques générales des fours tubulaires : Un four tubulaire est conçu et calculé pour permettre de transférer au fluide une quantité de chaleur donnée par heure; le débit et les températures d’entrée et de sortie étant fixes à l’avance .Il faut donc faire apparaître dans le four une quantité de chaleur suffisante, à la température voulue, pour réchauffer le fluide et compenser les pertes, et transférer la chaleur disponible au fluide dans des conditions telles que celui-ci ne soit pas détérioré. Le four doit donc être avant tout agence en vue de la combustion d’une quantité suffisante de combustible .Il devra comporter les brûleurs nécessaires ; ceux-ci devront pouvoir être alimentés en combustible et en air. Dans la plus part des fours de raffinerie, l’admission de l’air de combustion dans le four est obtenue par la dépression qui règne à l’intérieur du four. Cette dépression est elle même due au tirage de la cheminée.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 24 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Les températures obtenues dans les produits de la combustion sont toujours très élevées .On peut, d’ailleurs, les augmenter en préchauffant l’air de combustion par les fumées allant à la cheminées.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 25 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 26 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Les échanges thermiques à l’intérieur du four se font à la fois par les trois mécanismes de la radiation, de la convection et de la conduction. Les produits de la combustion cèdent leur chaleur aux tubes par radiation et convection ;à travers les parois de tubes ,le transfert se fait par conduction ; à l’intérieur des tubes, c’est la convection qui intervient de nouveau ;enfin ,les pertes calorifiques à travers les murs du four se font par conduction. Le phénomène le plus important à prendre en considération est la radiation des produits de convection .Cependant ,l’histoire des fours tubulaires montre que l’intérêt de ce phénomène a d’abord été négligé .Les premiers fours construits étaient pratiquement des fours à convection .Dans ce type de four ,les premières rangées de tubes exposées à la flamme absorbaient la chaleur à un taux très élevé alors que les tubes situes près de cheminée n’en absorbaient que très peu. Si l’on retirait la première rangée , c’étaient les tubes de la seconde qui étaient surchauffes et le retrait des tubes ne faisait qu’aggraver le problème. La véritable solution qui est celle actuellement utilisée dans les fours modernes est d’augmenter le nombre de tubes exposés à la radiation et limiter à une valeur raisonnable la qualité de chaleur qu’ils absorbent par unité de surface.

3. Constitution d’un four tubulaire : D’une façon générale, les fours comportent les parties principales suivantes :

3.1-Charpente et casing : Le four tubulaire est constitué d’une enveloppe métallique de formes diverses, souvent parallélépipédique ou cylindrique. Le four comporte une zone dite « zone de radiation » constituée essentiellement d’une chambre de combustion dans laquelle des tubes sont exposés à la flamme et reçoivent la chaleur principalement par radiation des produits de combustion .La température des fumées à la sortie de la zone de radiation est élevé (700°c à1100°c) et donc le rendement est faible (de l’ordre de 50% du pouvoir calorifique inférieur ‘PCI’) .Une fraction de l’échange se fait également par convection entre les fumées et les tubes . Cette zone si elle existe, est installée à la sortie des fumées de la chambre de combustion. Elle est constituée d’un faisceau de tubes -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 27 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

placés en quinconce, perpendiculairement ou parallèlement à la direction des fumées. Dans les deux cas, on cherche à obtenir une vitesse assez grande pur les fumées, de façon à augmenter le coefficient d’échange .Ces tubes peuvent être garnis d’ailette ou d’aiguilles, afin d’augmenter la surface d’échange du coté des fumées, qui est généralement le fluide présentant la résistance thermique la plus forte. Le rendement de la zone de convection est, bien entendu, supérieur à celui d’un four ne comportant q’une zone de radiation .Le rendement dépend de la température d’entrée du fluide chauffé (on ne peut pas refroidir des fumées en dessous de la température du fluide froid), mais également de l’importance de la surface d’échange que l’on a installée. L’enveloppe métallique du four doit être suffisamment renforcée pour résister aux actions du vent et supporter le faisceau tubulaire .Elle est constituée d’une ossature en charpente et de tôles boulonnées ou soudées sur cette charpente .Comme , en général ,la chambre de combustion est en dépression par rapport à l’atmosphère du fait du tirage de la cheminée ,cette enveloppe doit être suffisamment étanche pour éviter l ’ entée de l’air parasite qui aurait un effet préjudiciable sur le rendement du four. Les parois intérieures du four, particulièrement celles de la chambre de combustion, sont protégés contre l’effets de la température par un garnissage réfractaire et isolant qui, en outre, a pour but de réduire les pertes de chaleur à l’extérieur. Le plancher de la zone de combustion constitue la sole du four ; elle est aussi, recouverte d‘une couche de produits réfractaire et isolant. Les parois verticales (ou la sole dans les fours verticaux) sont percées dans lesquels sont placés les brûleurs .Un certains nombre de regards permettent d’observer la combustion, la forme des flammes, la tenue des tubes ;des portes d’accès à l’intérieur du four sont aussi ménagées dans les parois .Ces regards et ces portes doivent être hermétiquement clos lorsque le four est en service . Enfin, les fumées quittent le four par l’intermédiaire de la « cheminée » en passant, le cas échéant, par le réchauffeur d’air .La cheminée de forme cylindrique peut être située directement sur le four ou sur une fondation séparée Le conduit amenant les fumées à la base de la cheminée s’appelle ‘carneau ‘.Le rôle de la cheminée est multiple .Son premier but est de conduire les fumées dans -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 28 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

l’atmosphère à une hauteur telle, qu’elles ne risquent pas de gêner le voisinage : ceci est important, en particulier dans les installations très resserrées où les cheminées des fours doivent être plus élevées que les colonnes voisines. Mais, la cheminée, par son tirage, met la chambre de combustion en dépression et provoque ainsi l’entrée de l’air nécessaire à la combustion par les volets d’air des brûleurs .Ses dimensions, hauteur et diamètre, doivent donc être calculées pour obtenir ce tirage. La cheminée est souvent protégée intérieurement, au moins dans sa partie basse où les fumées sont encore très chaudes, par une couche de béton réfractaire, ce qui permet de la construire en acier ordinaire .Quand la cheminée est de grande hauteur, elle est quelquefois construite en béton .A sa base, on trouve souvent un registre qui permet de régler le tirage .Ce registre doit être construit en acier résistant à la température des fumées.

3.2-Matériaux réfractaires et isolants : Le revêtement des parois intérieures du four est constitué soit d’un mur en briques réfractaire, soit d’une couche de béton réfractaire. Les produits réfractaires utilisés dans les fours de raffinerie sont en général constitués d’argiles ou de terre de diatomée .Ces produits joignent à leur qualité réfractaire, une faible perte calorifique ; ils sont donc en même temps isolants. Les bétons sont constitués d’un liant hydraulique ,en général un ciment fondu ,auquel on ajoute en proportion variables ,suivant les conditions d’utilisation ,des produits tels que granulés de diatomée et de vermiculite .On obtient ,après séchage pour l’évaporation de l’eau, d’un béton de faible densité ,résistant bien à des températures de l’ordre de 1000-1200°c et dont la conductibilité thermique est de l’ordre de 0,25Kcal/m.h.°c .Les bétons sont appliqués au pistolet pneumatique sur les parois du four ou ils sont maintenus en place par un grillage métallique tendu sur aiguilles soudées à la paroi intérieure du four. Les briques réfractaires sont en général rectangulaires (220 x 110 x 65xmm), mais on utilise aussi des pièces moulées ou découpées dans des briques standard pour le montage de murs cylindrique ou de voûtes .Les des murs sont liés entre elles par un coulis au ciment réfractaire spécial . Les voûtes, ou plafond des fours, sont construites avec des briques de forme spécial, suspendues par des crochets en acier ou fonte alliés à une série de fers profilés reliant les parois verticales du four .Les briques présentent une saillie sur -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 29 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

une partie de leur épaisseur qui vient reposer sur une saillie correspondante de la partie inférieur de la brique voisine. Lorsque la température de la chambre de combustion et très élevé, les parois réfractaire sont constitués de plusieurs épaisseur de briques .On interpose entre la dernière épaisseur de briques et la paroi métallique du four une couche d’isolant (laine de verre ou de roche) qui permet de réduire les pertes calorifiques.

MATERIAUX REFRACTAIRE 4. Description des différents types de four : Il existe de nombreuses dispositions des tubes, dans les zones de radiation et de convection, et d’une zone par rapport à l’autre. Il en résulte de nombreux types de fours. On peut, toutefois, distinguer les différentes catégories suivantes : 4.1 - Les fours dits « cabines » à tubes horizontaux : dans ces fours la forme générale de la zone de radiation est celle d’un parallélépipède, dont la plus grande longueur est horizontale .Les tubes sont placés horizontalement le long des parois latérales les plus longues .Les brûleurs sont situés sur la sole, ou sur la partie -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 30 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

inférieure des murs latéraux les plus longs ou encore sur les murs d’extrémités ne recevant pas les tubes.

4.2 - Les fours dits « boites » à tubes verticaux : dans ces fours, la forme générale de la zone de radiation est celles d’un parallélépipède, les tubes sont placés, dans la plus part des cas, circonférentiellement le long de la paroi intérieure .Les brûleurs verticaux sont disposés dans la sole du four. La zone de convection, placée au-dessus de la chambre, est constituée de tubes verticaux placés directement dans la cheminée, ou de tubes horizontaux, en général très -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 31 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

courts, situés dans une chambre spéciale entre la chambre de combustion et la cheminée .Celle-ci est montée directement sur le four.

4.3 - Les fours cylindriques verticaux : la zone de radiation se présente sous la forme d’un cylindre à axe vertical .Les brûleurs sont placés sur la sole, à la base du cylindre .La surface d’échange couvre les parois verticales et présente donc une symétrie circulaire par rapport au groupe de chauffage.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 32 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

4.4 - Les fours à chauffage par murs radiants : La surface d’échange est placée dans le plan médian de la chambre de combustion. Les brûleurs sont répartis sur les parois latérales longitudinales.

4.5 - Les fours dits à double chauffe : Dans ces derniers, le plan des tubes constituant la surface d’échange, et dans le plan médian des rangs de brûleurs. Pour tous les types de fours cités ci-dessous, à l’exception des cas ou les brûleurs sont en voûte, la zone de convection peut être située au-dessous de four. La zone de convection peut également être placé sur le coté de la zone de radiation. Dans ce dernier cas des carneaux de fumées très chaudes assurent la liaison entre les deux zones. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 33 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Les tubes constituant la surface d’échange de la zone de radiation sont placés devant le garnissage réfractaire isolant de l’enveloppe. Un espace égal à environ un diamètre de tube est maintenu entre les tubes et cette paroi réfractaire. La chauffe du tube, bien qu’inégalement répartie, se fait sur toute la périphérie.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 34 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 35 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

L’enveloppe du four n’est pas parfaitement étanche, notamment suite au vieillissement et aux nombreux passages de tubes. Pour des raisons de sécurité ou pour la sauvegarde du matériel, l’intérieur du four est maintenu en dépression par rapport à l’air extérieur. Cette dépression est, le plus souvent, obtenue par le tirage de la cheminée, ou quelquefois,par un ventilateur de tirage. Ces organes sont placés directement audessous de la zone de convection,ou au sol à coté du four. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 36 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

L’air de combustion est introduit dans les brûleurs, soit par la dépression régnant dans chambre de combustion (brûleur à tirage naturel), soit à l’aide d’un ventilateur (brûleurs soufflés). Pour assurer la combustion compète du combustible, un excès d’air, par rapport à la valeur stoechiométrique, doit être ajouté. Cet excès d’air dépend, de la température de l’air de combustion et principalement du combustible. Les valeurs d’excès d’air les plus couramment admises sont, en pour-cent de l’air stœchiométrique :

Combustible Fuel oïl Gaz

Air froid (20°C) 20-25 10-15

Air chaud (300°C) 5-15 5-10

Le choix d’un type de four dépend principalement des facteurs suivants : • Nature des produits chauffé et condition de service (débit, température, pression) ; • Drainabilité des faisceaux tubulaires ; • Présence ou non de catalyseur dan les tubes ; • Combustible ; • Encombrement ; • Facilité de construction ou de transport ; • Coût pour application donnée.

5. Description détaillé d’un four tubulaire : Un four tubulaire est constitué de : 5.1 - Faisceaux tubulaires : Les faisceaux tubulaires sont généralement constitués de tubes droits, sans soudure, reliés entre eux : • Par des coudes à 180° soudés sur les tubes, ou

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 37 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

• Par des liaisons spéciales, appelées boites de retour, comportant un ou deux orifices fermées par des bouchons .Ces dispositifs permettent l’observation et le nettoyage de l’intérieur des tubes. Les dimensions les plus courantes des tubes de four et tolérances sont indiquées dans le tableau ci-dessous :

Diamètre extérieur

Pouces mm

1,9 2,375 2,875 3,5 4 4,5 5,563 6,625 48,39 60,3 73 88,9 101,6 114,3 141,3 168,3 Epaisseur moyenne

Pouces mm

0,145 0,154 3,68 3,91

0,203 5,16

0,216 0,226 5,49 5,74

0,237 0,258 6,02 6,55

8,625 219,1

0,280 0,322 7,11 8,18

10,75 273

0,365 9,27

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 38 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Tolérances dimensionnelles (d’après la norme NF A 49.219) : Ɣ sur l’épaisseur T : T ” 3,2 mm + 0,5 mm -0,15 T 3,2 ”T ” 20 +0,15 T -0,125 T T • 20 ± 0,125 T Ɣ Sur le diamètre extérieur D : D ” 48,3 +0,4 mm -0,8 mm 48,3 ” D ” 114,3 +0,8 mm -0,8 mm 114,3 ” D ” 219,1 +1,6 mm 219,1 ” D ” 406,4 +2,4 mm -0,8 mm

Tableau I. Dimensions les plus courantes des tubes de fours . 5.2 - Matèriau des tubes : le chois du matériau pour le faisceaux des tubes repose sur les critères suivants : • Résistance à la corrosion par le fluide chauffé ; • Résistance à l’oxydation par les fumées chaudes ; • Résistance mécanique en température : - à la pression intérieure du fluide chauffé, - aux contraintes mécaniques dues au poids du faisceau tubulaire et du fluide qu’il contient. Les matériaux les plus usités sont dans le tableau ci-dessous, avec la température maximum d’emploi pour la résistance à l’oxydation par les fumées.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 39 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Type suivant AISI* Etats Unis Acier au carbone Aciers alliés à

1,25%Cr0,5%Mo 2,25%Cr11%Mo 5% Cr-0 ,5%Mo 9% Cr-1% Mo

Aciers inoxydables 18Cr-8Ni

18Cr8Ni 18Cr–8Ni-Ti 18Cr8Ni-Cb 18Cr8Ni-CO

Aciers réfractaires forgés

35Ni 20 Cr 43 Fe (alliage 800 H) 72 Ni 15 Cr 8 Fe (alliage 600)

Aciers réfractaires moulés par centrifugation

304 316 347 316

Désignation suivant normes française AFNOR TU42F

Température Limite D’emploi (°c) 480

TU 10 CD 5-05 TU 10 CD 9-10 TUZ 12 CD 05-05 TUZ 10 CD 09

600 630 650 700

Z6 CN 18-10 Z6 CNT 18-10 Z6 CN Nb 18-10 Z6 CND 17-12

870 870 870 870 985 1010

25Cr20Ni(HK40)

1010

35 Ni 25 Cr Nb

1100

*Dans les fours les grades H généralement utilisés car le contrôle de la teneur en carbone permet de meilleures résistances mécaniques à température élevé .

Tableau II. Matières des tubes les plus couramment utilisées et température limites d’emploi. 5.3 - Supportage des faisceaux tubulaires : La libre dilatation de l’élément du faisceau tubulaire est à la base des principes du supportage. Les matériaux utilisés doivent résister : •Aux fumées ; •À l’oxydation ; •À la corrosion par les cendres de combustibles liquides (vanadates, sulfates …) et présenter une bonne résistance mécanique à chaud (domaine élastique et fluage). -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 40 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Dans certains cas, on utilise des métaux peu ou pas alliés, mais ils sont alors protégés de l’action des fumées (température, oxydation) par un garnissage réfractaire .C’est le cas des supports d’extrémités dans les zones de convection. 5.4 - Garnissage des parois du four : L’enveloppe des fours (chambre de combustion, zone de convection, cheminée) est constituée d’une paroi métallique revêtue intérieurement d’un garnissage isolant et réfractaire. Les propriétés requises pour un garnissage isolant réfractaire sont variées : • Conductivité thermique faible ; • Température pyroscopique élevé ; • Résistance mécanique élevée ; • Bonne résistance aux variations de température ; • Facilité de mise en œuvre. Ces propriétés sont contradictoires et la sélection d’un matériau pour une application particulière est le résultat d’un compromis .Dans certain cas, c’est un garnissage multicouche qui permettra d’allier les propriétés opposées de plusieurs matériaux. Différents types de garnissage : a)Matériaux utilisables directement au contact des fumées : • Briques réfractaires : constituées d’argiles réfractaire (silicate d’aluminium hydraté) ou de terre de diatomées et possédant une structure poreuse naturelle ou artificiellement provoquée .Les briques sont obtenues le plus souvent par moulage et cuisson .Elles sont posées avec un coulis d’assemblage à prise à air. • Béton isolant réfractaire :constitué d’un mélange de ciment alumineux fondu et d’agrégats réfractaire .Ils sont mis en place par coulée ou par projection .La prise est hydraulique .Ils sont fixés par des ancrages en V soudés sur la tôle de l’enveloppe du four .

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 41 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

• Fibres céramiques :ces fibres céramiques ,d’un diamètre de 3µm ,sont obtenues par soufflage d’une masse réfractaire sillico-alumineuse fondue à base de produits extra purs .Elles sont conditionnées sous les formes suivantes : - matelas de fibre fixés sur les parois du four par des ancrages soudés sur la tôlerie et constitués, par exemple, de tige et rondelle, -modules préfabriqués, assemblage de nappes de fibres céramiques sous forme de cubes (de section 0,3 x 0,3m) que l’on ancre côte à côte sur la tôlerie. b) Matériaux utilisables en deuxième couche Pour accroître la résistance thermique d’une paroi résistante à la chaleur, mais peu isolant, on peut utiliser les matériaux suivants : ƒ Fibres minérales : ces fibres sont obtenues par soufflage d’une masse réfractaire de roches synthétiques fondues .Les panneaux constitués de ces fibres sont très isolant et utilisés derrière des murs constitués de briques. ƒ Panneaux rigides de silicate de calcium : très isolants, utilisés en deuxième couche derrière une paroi de briques ou de béton réfractaire. 5.5 - Brûleurs : Les brûleurs ont pour rôle de provoquer le mélange intime de l’air et du combustible en vue d’obtenir la combustion complète de celui-ci. L’air de combustion est introduit par des volets du fait ,la plupart du temps ,de la dépression qui règne dans le four .Le combustible ,gaz ou huile ,débouche dans le courant d’air au centre d’un ouvre au réfractaire qui ,par la chaleur qu’il rayonne ,assure la stabilité de la flamme. Un brûleur est conçu pour brûler soit du gaz ,soit de l’huile .Certains brûleurs sont équipés pour brûler l’un ou l’autre combustible ( bruleurs mixtes ). 5.6 - Ramoneurs : Afin de maintenir propre le circuit des fumées et ainsi conserver l’efficacité des surfaces d’échange, on installe dans les zones de convection des ramoneurs.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 42 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Plusieurs types sont disponibles : a) • Appareils à soufflage d’air ou de vapeur. Ce sont des tubes rotatifs, fixes ou réfractaires, comportant des buses de soufflage .Ils sont utilisé de façon intermittente (en général 3 fois par 24 heures) pour souffler les dépôts pulvérulents qui ont pu se déposer sur les surfaces d’échange. b)• Ramoneurs acoustiques ou subsoniques. Ce sont des appareils qui émettent des vibrations acoustiques ou infrasonores dans l’enceinte de la zone de convection, afin de maintenir en suspension les poussières et ainsi éviter leurs dépôts sur les surfaces d’échange. 5.7 - Réchauffeur d’air : Les préchauffeur d’air ont été conçu et mis eau point .Ce sont, en fait, des échangeurs de chaleur entre les fumées et l’air de combustion pour lesquels on cherche à obtenir des pertes de charge pour éviter l’emploi de ventilateurs, tout en ayant un bon coefficient de transfert pour diminuer les investissement pour un taux de récupération de chaleur donné. D’autre part, les effets de la corrosion à l’acide sulfurique doivent être pris en considération lorsque la température des fumées à la sortie du préchauffeur est inférieure au point de rosée (170 à 200°c). Lorsque la température d’entrée du fluide à réchauffer ne permet pas de refroidir les fumées à un niveau tel que le rendement du four n’est pas à son optimum économique, on peut effectuer un recyclage thermique avec changement de support .Il s’agit d’enlever la chaleur des fumées sortant du four pour la réintroduire à l’entrée de la chambre de combustion. Un recyclage pur et simple de fumées n’apporte rien, car la température du fluide froid limite la température de refroidissement des fumées .Il faut donc nécessairement un fluide à température plus basse .L’air de combustion remplit ces conditions. Plusieurs schémas peuvent être utilisés : L’air de combustion est réchauffé directement par les fumées (fig.1) . Un échangeur de chaleur placé sur le circuit des fumées réchauffe l’air de combustion qui alimente les brûleurs.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 43 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

01 On interpose entre les fumées et l’air de combustion un fluide intermédiaire tel que l’eau sous pression, de l’huile (fig.2). Le caloduc constitue une application technologique particulière de ce schéma.

Figure 02

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 44 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Une à ce schéma est constituée par le fluide principal à réchauffer (fig.3).dont la température est abaissée par de l’air de combustion, puis la température dans une zone de convection complémentaire avant de passer dans le circuit normal.

Figure 03 Différent types de réchauffeurs d’air : a) Réchauffeur d’air intégré (fig.4) Ce sont des échangeurs constitués de tubes en acier, placés en zone de convection du four et dont la constitution est identique à celle des zones de convection classiques de réchauffage de fluide procédés .Là encore, la surface d’échange du côté fumées peut être accrue par des ailettes ou des aiguilles.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 45 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Figure 04 b) Réchauffeur d’air séparé Deux types principaux se trouvent sur le marché : • les réchauffeurs statiques : ils peuvent être à tubes de fonte ; à plaques d’acier ; à tubes d’acier. • les réchauffeurs dynamiques ou régénératifs : parmi les réchauffeurs dynamiques ,l’appareil le plus fréquemment utilisé est constitué par un rotor recevant un empilage de tôles minces gaufrées .Un moteur assure la rotation du rotor .Les tôles du rotor passent successivement dans le courant de fumées ,où elles s’échauffent ,et le courant d’air de combustion ,qui s’échauffe à leur contact .Des métalliques d’étanchéité montés sur le rotor assurent une étanchéité imparfaite avec le stator et entre les circuits air et fumées . Une partie de l’air en surpression par rapport aux fumées passe celles-ci et abaisse leur température .Les ventilateurs d’air et de fumées doivent sont en général montées dans des paniers facilement remplaçables.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 46 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

• Quelle que soit la solution, un dispositif de réchauffage d’air de combustion devra être préférence muni de dispositif de by passage. Celui-ci permet l’entretien éventuel des réchauffeurs d’air sans être obligé d’arrêter l’ensemble de l’installation. NB : Dans les fours brûlant des combustibles liquides ,il est important d’utiliser des appareils dans lesquels les espaces de passage des fumées sont de dimensions suffisantes pour que les encrassements dues aux cendres , ou éventuellement des suies ,ne conduisent pas rapidement à une obstruction du circuit des fumées .

6. Rendement thermique d’un four : L’économie d’exploitation est un facteur prépondérant dans l’étude d’un four ; aussi la notion de rendement est-elle d’importance. On définit le rendement d’un four comme le rapport entre la quantité de chaleur absorbée par le fluide réchauffé et celle dégagée par la combustion.

K =Qreçue /Qcombustion = 1- (Perte / Qcombustion ) NB : ¾ Une partie très faible de la chaleur non absorbée est perdue par conduction à travers les parois du four (1 à 2 % de la quantité libérée aux brûleurs) ¾ Les pertes les plus importantes sont les pertes à la cheminée, dissipées dans l’atmosphère par les fumées qui sortent du four à température assez élevée.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 47 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

NB : le pourcentage de perte par les fumées dépend de deux paramètres : ¾ L’excès d’air de combustion ¾ La température de rejet des fumées a) L’excès d’air de combustion : le débit des fumées s’accroît avec l’excès d’air aussi faible que possible, tout en veillant à obtenir une combustion complète, sans imbrûlés ; on peut jouer sur ce facteur par un réglage correct de la combustion, encore que, même avec des brûleurs bien conçus, on ne puisse descendre en dessous d’une certaine limite car on risque d’avoir une combustion incomplète dont les inconvénients sont : • D’abord la réduction du dégagement de chaleur par unité de poids de combustible brûlé, donc une réduction du rendement contraire à l’effet recherché ; • la formation de CO susceptible de se combiner à l’oxygène encore présent dans les fumées en dehors de la chambre de combustion (phénomène de postcombustion qui peut endommager le four) . b) la température de rejet des fumées : La température des fumées dépend d’un très grand nombre de facteurs ; en fait, pour un excès d’air donné, la température à laquelle les fumées sortent de la zone de radiation est déterminée par charge thermique du four, la surface et la température des tubes .L’aménagement d’une zone dite de convection, constituée d’un faisceau tubulaire placé sur le trajet des fumées vers la cheminée, permet de récupérer une partie de a chaleur sensible de celles-ci. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 48 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Il faut ,toutefois ,signaler que la température des fumées reste toujours supérieure à la température d’entrée de la charge dans le four .Généralement ,en raffinerie ,le fluide entrant au four est préchauffé par un système important d’échangeurs . Remarque : Le pourcentage de perte de fumées dû à la température de rejet s’obtient approximativement par la relation approchée suivante : % (perte aux fumées dû à leur température de rejet) = température des fumes (°c) 20 c) Possibilité et limite à l’amélioration du rendement d’un four : Dans certaines installations comme par exemple les unités de craquage la température d’entrée de la charge dans le four sont telles qu’une zone de convection utilisant la charge entrant au four aurait trop peu d’effet sur le rendement. On peut alors utiliser les fumées pour réchauffer un autre produit plus froid comme par exemple surchauffer ou même produire de la vapeur d’eau. Un autre procédé permettant d’améliorer le rendement d’un four, s’il comporte déjà une zone de convection, et d’installer à la suite de celle-ci un pré chauffeur d’air de combustion. Les calories ainsi récupérés augmente la qualité de chaleur libéré par la combustion .Mais, bien sur, il fait que les surfaces d’échange en radiation et convection soit alors calculées pour permettre l’absorption de cette quantité de chaleur supplémentaire .Cependant, cet investissement supplémentaire ne peut souvent se justifier que pour les fours de grande capacité. Pourtant, il faut signaler qu’on ne peut réduire tout la température des fumées .Nous virons en effet que le tirage de la cheminée diminue lorsque la températures fumées diminue : quand le tirage est trop faible, et devient nécessaire d’utiliser un ventilateur et la consommation d’énergie nécessaire pour ce ventilateur doit être prise en compte dans le bilan général. Une autre raison limitant la récupération de la chaleur des fumées et qu’en dessous d’une certaine température (point de rosée) ,les fumées laissent condenser des produits acides susceptibles de provoquer des effets corrosifs gênant . -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 49 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

7- Méthode de nettoyage des tubes d’un four

:

7.1 – Nettoyage externe des tubes : Pour conserver le rendement de la récupération de chaleur sur les fumées, il est nécessaire d’entretenir l’état de propreté des surfaces d’échange. la mise en place de surfaces étendues (ailettes ou picots) rend possible l’accumulation de suies lors de brûlage de combustibles liquides. La méthode classique utilisée pour éliminer ces dépôts repose sur le soufflage des suies par un jet de vapeur. Cela peut être réalisé par des lances équipées de nombreux orifices, placées à demeure dans la zone de convection et par lesquelles est injecté périodiquement de la vapeur moyenne pression. Ces lances peuvent encore être rétractiles et ne pénètrent dans la zone de convection que lors des injections de vapeur. Elles ne comportent alors que deux orifices d’injection et pénètrent en tournant dans la zone de convection entraînées par un mécanisme extérieure, un contact de fin de course inversant le déplacement de la lance en fin de trajet. Ce dernier type évite de laisser en place dans les fumées chaudes les lances en dehors des cycles de ramonage et ont une efficacité plutôt supérieure dans la mesure où le nombre d’orifice d’injection étant limité, le jet de vapeur est plus concentré sur les surfaces à nettoyer. Le schéma ci-dessous en montre un exemple.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 50 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

L’efficacité des souffleurs de suie est malgré tout limitée puisque les tubes concernés protègent leurs voisins de l’impact du jet de vapeur (on ne peut guère espérer atteindre plus de 3 rangées de tubes au-dessus et au-dessous de la lance). Cela conduit à la mise ne place d’un grand nombre de ramoneurs et par suite à une consommation de vapeur relativement importante (environ 300kg de vapeur par ramoneur et par cycle). Les cycles de ramonage sont de une fois par quatre à une fois par jour. Une technique plus récente fait appel à l’émission d’infra -son par un tube de résonance. Cette technique plus efficace (puisque les sons se propagent dans toute la zone de convection) dans la mesure où les zones ne sont pas trop amortie par la géométrie du four et peu onéreuse (absence de consommation de vapeur) est mise en oeuvre avec une très grande fréquence (un cycle de 2 minutes tous les quatre heures,par exemple). Le schéma ci-dessous présente un exemple d’installation de ramoneur sonore.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 51 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

7.1 – Nettoyage interne des tubes « décocking » : Ce procédé consiste à nettoyer les tubes du four, généralement par passe par l’action de la vapeur et de l’air. Le décokage s’accompli habituellement en deux phases. ECAILLAGE et COMBUSTION. a) PHASE D’ECAILLAGE : Pendant cette phase seule la vapeur est injectée à l’entrée d’une passe à un débit élevé tandis que l’on chauffe. Le tube est bonifié et le coke est détaché de la paroi par l’action refroidissante de la vapeur sur les tubes chauds obligeant le coke à se contracter et à se briser. L’entraînement de la vapeur à grande vitesse et l’action chimique.

2C  3H2O o CO2  3H2  CO Durant cette phase et si l’opération est bien conduite on pourra éliminer de 90% à 95% du coke.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 52 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

b) PHASE DE COMBUSTION :

Le reste du coke, considéré comme infime est brûlé à l’air en présence de la vapeur.

2O2  4C o 2CO2  2CO c) Exemple : Décockge du four 70 FI Procédure : Après arrêt de l’unité suivant la procédure. Fermer les vannes FRC1 VA/B, déplacer le contenu des serpentins du four vers la colonne C1. Inverser les coudes et insérer le circuit de décokage vers le ballon V3. Allumer les pilotes Isoler le système de bloc. Augmenter la température dans la zone de convectionTI26 150°C. Ouvrir progressivement la vapeur au surchauffeur. a. b. c. d.

régler la pression de la vapeur au surchauffeur. Ouvrir la vapeur progressivement sur les deux passes du four. Ouvrir l’eau d’épuration des fumées au ballon de séparation V3. Après avoir éliminer les hydrocarbures des serpentins on commence la phase d’écaillage. e. Avertir la CTE f. Augmenter progressivement le débit de vapeur dans les passes à 4500kg/h. g. Augmenter la température dans la zone de convection à 650°C à raison de 100°C/H durant cette phase il est conseillé d’empêcher que la température de surface des serpentins ne dépasse les 550°C( si la couleur des tubes est rouge). h. Contrôler la vapeur surchauffée. L’évolution de l’opération est suivie en observant la couleur de l’eau de quenche à la sortie du ballon V3. Quand l’écaillage débute, l’eau vire d’une couleur laiteuse au gris puis au noir. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 53 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Toutes les 20mn invertir le débit de vapeur sur chaque passe. x début d’écaillage. a. renverser la direction du courant de vapeur chaque fois que la concentration des particules de poussières du coke diminue. b. Il est recommandé durant cette phase de : c. Varier le débit de vapeur par réduction intermittente. d. Injection d’un additif d’air pendant quelques minutes en surveillant constamment la température des tubes. e. A contrôler la phase d’écaillage par une prise d’échantillon d’eau à la sortie du ballon V3. Phase initiale--------eau laiteuse Phase d’écaillage, l’eau prend la couleur gris clair puis au fur et à mesure qu’augmente l’écaillage les particules du coke sont enlevées pour donner une couleur noire à l’effluent x Fin de l’opération d’écaillage x Début de l’opération de combustion. Après avoir minimisé la présence du coke dans les serpentins pendant l’opération d’écaillage on procède à la combustion du coke restant par oxydation directe sous vapeur. a. réduire la température dans la zone radiante à 645°C. b. régler le débit de vapeur à 4000kg/h dans chaque passe. c. Injecter progressivement de l’air au serpentin N°1dans la proportion 1/10 de la vapeur soit 400kg/h. d. Si la couleur des tubes est rouge cerise augmenter le débit de vapeur ou diminuer le débit d’air. La température de peau des tubes dans cette phase ne doit pas dépasser 550°C. Quand on note qu’il n’y a plus de combustion on considère que le décokage de cette passe est terminé. - fermer l’air au serpentin - répéter l’opération au serpentin N°2

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 54 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

x Opération de décokage terminée. a. diminuer la température dans la zone radiante à raison de 100°C/h lorsque la température dans la zone radiante ou de convection atteint 150°C. b. fermer la vapeur dans les serpentins c. fermer la vapeur au surchauffeur d. éteindre les brûleurs et pilotes.

8. Régulation et instruments de contrôle : 8.1-Regulation : La régulation dans les fours reste simple et se limite à des fonctions essentielles au contexte pétrolier. Rappelons que ce contexte interdit, entre autre, d’utiliser dans toute la mesure du possible des combustibles nobles pour brûler des produits secondaires, que la législation sur la pollution interdit de rejeter à l’atmosphère sans qu’ils aient subis préalablement certains traitements. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 55 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Fonctions: La régulation dans les fours porte sur les fonctions suivantes : •Allure de chauffe en fonction de la température de sortie du fluide process. •Débit de fluide process dans le four. •Débit de vapeur de pulvérisation en fonction de la pression du combustible. •Proportionnalité air/combustible en fonction de l’indication de l’analyseur de l’O2 ou de CO2 sur les fumées du débit combustible. S’il est possible d’adapter un dispositif fiable et sans trop d’inertie avec les brûleurs à air soufflé, des difficultés subsistent au niveau de la transmission mécanique avec les brûleurs à air induit dont l’adaptation reste encore problématique. De plus, cette fonction est difficile à remplir valablement avec des combustibles très différentiels et des caractéristiques variables. •Débit calorifique constant en fonction du PCI du gaz. 8.1.a- Principe : Les principes de la régulation permettent d’assurer diverses fonctions. Ces diverses fonctions restent simples et courantes. La régulation est dans la plus part des cas pneumatique et répond aux principes généraux dont le plus classique est représenté sur le schéma de la figure IX.1.

Figure 8.1 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 56 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Ce schéma comprend : •un capteur de température (TE) •convertisseur transformant le signal électrique (mV) en signal pneumatique (PSI) •un régulateur de température de produit sortant (TC) dans lequel le signal reçu est comparé à un point de consigne, et transformé en signal modulé •un servomoteur actionnant une vanne de régulation. A la demande de l’exploitant il peut être ajouté : • un enregistreur de température sur le régulateur (TRC). •un indicateur de température prés de la vanne de réglage. 8.1.b- Régulation de chauffe : La régulation de chauffe est la plus importante des fonctions prévues pour le fonctionnement correct d’un four. L’allure des brûleurs est asservie à la température du fluide process. La chaîne de régulation de la chauffe répond au schéma classique. Dans le cas de chauffe simultanée avec des combustibles liquides et gazeux, seul le débit de l’un d’entre eux est soumis à la régulation, le second étant réglé à une valeur constante. Précisons que l’on peut régler indifféremment sur l’un ou l’autre combustible selon le programme imposé.

8.1.c-Débit de fluide process : La régulation du débit du fluide process dans les passes d’un four à pour but d’assurer une répartition égale à 5%prés au maximum dans chacune des passes d’un four certains exploitants assurent cette répartition à l’aide d’une vanne à réglage manuel mais, dans la plus part des cas, ce réglage est assuré par un FIC (Flow Indicator Controller) monté sur chacune des passes. Ces dispositifs appelés « manifolds » équipent essentiellement des fours réchauffant des produits en phase mixte. Il faut préciser que le bureau d’études s’assure que la vaporisation ne débute pas dans la vanne de réglage par suite de -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 57 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

la perte de charge à travers celle-ci. La régulation de débit doit s’effectuer essentiellement sur la phase liquide. La régulation de la répartition égale de la charge dans les passes est une opération relativement délicate, sensible à la fluctuation de charge et aux incidents survenant en exploitation tel que l’encrassement d’un tube. Cette fonction de régulation ne doit pas supprimer l’obligation de vérifier sur chacune des passes : •la pression en amant des faisceaux. •la température de fluide à la sortie du faiscea 8.1.d- Débit de vapeur de pulvérisation : La régulation du débit de vapeur pulvérisation en fonction de celui du combustible est assurée par un dispositif à pression différentielle. 8.1.e- Proportionnalité combustible/comburant : La régulation de la proportionnalité carburant –combustible peut être assurée en fonction de l’indication donnée par : • un analyseur de O2 •un analyseur de CO2 • un instrument mesurant le débit ou la pression de combustible • un instrument mesurant le débit ou la pression de comburant Le choix des indicateurs à exploiter est conditionné par le type de brûleurs considéré. Précisons qu’avec un équipement de chauffe à air soufflé toutes les possibilités sont permises alors qu’avec des brûleurs à air induit l’information ne peut être donnée essentiellement que par des analyseurs de CO2, et O2. L’utilisation de cette fonction de régulation n’est pas encore très répandue dans les fours. Les impératifs sur la pollution et la recherche sur l’amélioration du rendement de la combustion en favorisant l’emploi. 8.1.f- Débit calorifique : La régulation du débit calorifique a principalement pour but de compléter la régulation de chauffe, voire même de l’améliorer, en limitant l’inertie est rendre plus grande encore de part la variation quelquefois importante du pouvoir -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 58 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

calorifique et de la densité des combustibles gazeux qui rendent insuffisante une régulation de débit massique. La régulation du débit calorifique est assurée, le pus souvent, par un simulateur de chauffe. Le principe de fonctionnement du simulateur le plus couramment utilisé est basé sur la chaleur dégagée par un brûleur alimenté à débit constant. La quantité de chaleur dégagée est comparée à une valeur de référence et un régulateur modifie le réglage de débit massique du combustible alimentant les brûleurs principaux en fonction du résultat de la combustion. 8.2-Instruments de contrôle : 8.2.1- Fonctions de contrôle : Le contrôle dans les fours est constitué par un ensemble de fonctions dont l’importance est grande. Elles permettent de s’assurer de la bonne marche du four et de déceler toutes les anomalies de fonctionnement, lesquels peuvent être la conséquence d’un mauvais réglage ou les avant-coureur d’une panne. Il est en effet possible de connaître approximativement la loi du vieillissement d’un matériel dans le temps ou d’encrassement d’un faisceau au cours d’une compagne. Toute évolution rapide en dehors de ces lois doit être la conséquence d’une anomalie qu’il faudra rechercher, expliquer et supprimer. Tout ce travail repose sur les fonctions de contrôle et d’alarme. Les fonctions de contrôle, avec ou sans alarme, portent sur les points suivants : •Analyse des fumées. •Température de peau avec alarme possible. •Température des fumées. •Dépression de la chambre de convection-carneau. •Pression de l’air soufflé. •Pression du combustible. •Pression de la vapeur de pulvérisation. •Pression de la vapeur d’étouffement. •Opacité des fumées. •Température du produit. •Pertes de charge (encrassement interne). -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 59 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

•Pertes de charge (encrassement externe). •Coloration des tubes. •Température des réfractaires. •Température du casing. Notons que les instruments de contrôle assurent aussi des fonctions de sécurité. Celles-la seront mentionnées dans le chapitre consacré à la sécurité des fours. 8.2.2- thermocouples : Les thermocouples sont utilisés pour assurer et indiquer la température. Cette indication peut être également enregistrée et portée en salle de contrôle. Il existe deux fonctions distinctes dans l’utilisation de ces appareillages : •Contrôle de température de peau des tubes. •Contrôle de température des fluides. • Thermocouples de peau : ils mesurent la température de la paroi extérieure des tubes. Cette mesure est plus ou moins exacte selon la disposition de la soudure. On prévoit un ou deux thermocouples par passe en zone de radiation et de convection aux endroits présumés les plus chauds. • Thermocouples pour fluides : ils mesurent la température des fumées aux différents endroits de parcours de celle-ci (une prise de température au centre nerveux du four reste très importante à connaître). Pour tous les thermocouples, la nature du couple en fonction de la température est un critère à respecter, tel par exemple : Chromel – Alumel pour 1100°C max. Platine – Platine Rhodier pour 1600°C max. Les thermocouples doivent être accessibles et facilement remplaçables.

9 .Sécurité des fours : Etant donné les conditions opératoires très sévères d’un four en service et son budget relativement important, la sécurité de cet équipement est indispensable.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 60 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Les fonctions de sécurité des fours consistent à éliminer tous les risques éventuels et à réduire à un degré minimal les dangers afin de protéger l’intégrité du matériel et d’éviter les préjudices humains. La sécurité des fours est assurée par un ensemble de fonctions, avec déclenchement d’alarme ou intervention directe sur la marche du four. Les instruments assurant ces fonctions sont incorporés dans la chaîne de sécurité de l’unité ; certains étant reportés en salle de contrôle. 9.1-fonctions de sécurité :

Les principales fonctions de sécurité sont énumérées ci-dessous : •coupure des feux par pression du combustible basse. •contrôle de flamme par pilotes ou cellules. •surpression limitée par soupape, et portes d’explosion. •verrouillage autorisent l’alimentation en air de combustion et en combustible • ouverture du registre à la défaillance de la commande. •alimentation en vapeur d’étouffement. • alimentation en vapeur de protection à l’intérieur des tubes. •purge vapeur des cannes assurées par un système de verrouillage. 9.2- sécurité des brûleurs : D’après ces fonctions, on remarque que le risque se situe essentiellement au niveau des brûleurs. Pour cela, un soin particulier doit être réservé aux équipements de chauffe. En effet, dans les chauffes automatiques, semiautomatique et celles à main, lorsque les variations de débit sont grandes, il est de plus en plus nécessaire de prévoir des sécurités en cas d’extinction ( le risque est important aux faibles débits du combustible ). Ce n’est pas l’extinction en elle –même qui est à craindre, mais ses conséquences. Lorsque un brûleur s’éteint et l’arrivée du combustible a toujours lieu d’être, l’enceinte des fumée est occupée par un mélange inflammable qui peut s’allumer au contact d’un point chaud ( pot de suies en ignition ,torche d’allumage ou brûleur de soutien laissé en service ). La combustion brusque du mélange donne lieu à une surpression instantanée importante pouvant produire de très graves dégâts. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 61 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Tout extinction des brûleurs qui dure plus de quelques seconds est détectée par des cellules sensibles aux radiations des flammes des combustibles utilisés. Les cellules agissent par l’intermédiaires de relais sur des sécurités montées en série avec les autres dispositifs : manque d’eau ,manque de pression du combustible , insuffisance de température dans le cas de fuel ,manque d’air de combustion ,manque de tirage , etc.…dont l’intervention en service arrête l’installation . Certaines sécurités doivent être mises hors service, pendant les opérations de démarrage, pour permettre l’allumage. D’autres doivent agir dans un sens déterminé, par exemple, le manque de tirage doit déterminer l’arrêt, mais un manque de combustible ou d’air de soufflage ne doit pas couper le tirage afin de permettre le balayage…etc.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 62 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

CHAPITRE IV : Les chaudières Les chaudières sont des équipements statiques destinées à produire de la vapeur à partir de l’énergie calorifique du combustible (GN,fuel gaz etc….). Une chaudière industrielle fournit de la vapeur surchauffée à diverses pression et température. - HP (haute pression P=48bar,T=490°C) turbomachine,turboalternateur - MP (moyenne pression P=12bar - 25 bar,T=300°C) éjecteur,torche - BP (basse pression P=3bar T=190°C) échangeur 1- composition de l’eau : L’eau, et en particulier l’eau « brute » est un milieu complexe comportant une grande variété d’éléments en suspension, en émulsion, en solution. Eléments rencontrés dans l’eau :

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 63 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

NB : Les matières en suspension, en émulsion et organiques sont responsables des boues et des dépôts. Les sels minéraux sont responsables des tartres et ils sont également générateurs des phénomènes de primage ou d’entraînement d’eau et de sels avec la vapeur. Quant aux facteurs qui déterminent les phénomènes de corrosion, ils sont des plus variés : -

gaz dissous (oxygène, CO2) PH Nature des ions (anions, cations) Nature des matériaux Température Erosion, vibration, cavitation Contraintes mécanique etc…

-

2- Propriétés de l’eau : L’eau est un des meilleurs solvants existants. Lorsqu’elle se forme en masses nuageuses et ensuite quand elle se répand au sol sous forme de pluie ou de neige, elle se charge en gaz dissous. Puis en traversant les couches géologiques de la terre, elle se charge en minéraux. Les propriétés suivantes, en particulier, sont importantes au regard de l’action de l’eau sur les matériels, notamment métalliques, en contact avec celle-ci (capacité et récipients, tuyauteries et accessoires). Propriétés d’oxydo-réduction qui sont responsables, pour une part importante, de la corrosion des métaux Propriétés dissolvantes : L’eau dissout les cristaux ioniques, les composés moléculaires, les gaz

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 64 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

2.1 - la solubilité des sels : 2.1.1 - le phénomène physico-chimique Dans la nature la formation du bicarbonate de calcium, à partir de carbonate de calcium, d’eau et de gaz carbonique. La réaction chimique s’écrit :

D’autre bicarbonates (notamment de potassium, mais également de magnésium, de sodium etc..) se forment selon le même schéma et se trouvent en solution dans l’eau. La réaction ci-dessus, que nous garderons comme exemple, est réversible sous l’effet d’une élévation de température (à partir de 55°C notamment) et d’une augmentation de la concentration du sel dans l’eau.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 65 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Ce qui signifié précipitation sous forme de carbonates ( formation du TARTRE) et dégagement de gaz carbonique : c’est exactement le phénomène qui se produirait si l’on utilisait de l’eau brute dans une chaudière. Formation du tartre :

Les facteurs qui provoquent ou favorisent la déposition des sels sur les parois chaudes (l’entartrage), sont liés à la baisse de solubilité dans l’eau. Il s’agit essentiellement de : - la concentration qui, lorsqu’elle est élevée, favorise la précipitation, - la température qui, en augmentant, diminue la solubilité. 2.1.2 - les conséquences néfastes : Le processus décrit ci-dessus a plusieurs conséquences : - la présence conjointe d’eau et de gaz carbonique, entraînant la formation d’acide carbonique dilué qui entraîne la corrosion du métal de la chaudière et de l’ensemble de l’installation ;l’eau est dite « agressive ». -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 66 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

- l’entartrage du foyer est des tubes entraîne : * une surconsommation d’énergie, * une couche isolante entravant l’échange de chaleur

Conductibilité thermique :

Le phénomène de primage (qui est l’entraînement d’eau, chimiquement impure, en même temps que la vapeur produite par la chaudière) est dommageable, essentiellement pour deux raisons : *1) il propage l’entartrage aux corps de chauffe *2) il provoque l’attaque (physique et chimique), par le mélange eau/vapeur, des matériels en contact avec cette dernière. Conclusion Il faut traiter l’eau Utilisée dans la chaudières : Soit en éliminant les éléments indésirables Soit en ajoutant les éléments manquants Afin de neutraliser les nuisances. 2.2 - la solubilité des gaz : Les gaz dissous dans l’eau ont notamment les actions néfastes suivantes :

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 67 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

- le gaz carbonique, qui n’est pas nuisible si la vapeur est sèche, génère de l’acide carbonique en présence de vapeur condensée, ce qui provoque la désagrégation des surfaces métalliques, - l’oxygène est également corrosif en milieu humide et son action accélère celle du gaz carbonique ; l’attaque est visible dans la génératrice basse du tuyau, là où circule/s’accumule le condensât : on le repère par la présence de boues dans le condensât, et surtout par la formation de nombreux chancre de rouille. Voir la solubilité de l’oxygène dans l’eau :

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 68 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

2.3 - l’acidité de l’eau Mesurer par le PH , l’acidité de l’eau est généralement due à l’acide carbonique dissous. un PH trop élevé (alcalin) ou surtout trop bas(acide) est un facteur d’agressivité vis à vis du matériel, notamment métallique.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 69 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Le phénomène est d’autant plus difficile à maîtriser que le PH peut varier de façon considérable à l’intérieur d’une même installation en fonctionnement (et passer, par exemple, de 12 en chaudière à 5 dans le réseau de retour). 2.4 - Mesure des paramètres et valeurs –cibles : 2.4.1 - le PH ,ou potentiel hydrogène ,mesure l’acidité de l’eau. cette mesure se fait avec des méthodes simples,soit électriques, soit colorimétriques. Le PH doit être idéalement compris entre 9 et 12 pour l’eau de chaudière, qui doit être alcaline. Voir acidité des eaux de chaudière

2.4.2 - deux séries d’indices permettent d’aborder la mesure, plus complexe, de la teneur en sels dissous : - le TH, ou titre hydrotimétrique, mesure la dureté de l’eau, dans une unité qui s’appelle le degré hydrotimétrique français (°f).l’analyse hydrotimétrique est menée par addition à l’eau d’une liqueur de savon.

Le TH généralement mesuré sur l’eau brute, et utilisé en pratique, correspond à la dureté totale de celle-ci (i.e.teneur globale en CO2 libre et sels de Ca et Mg). Cette mesure peut être affinée : après évaporation du CO2 et précipitation des carbonates, on mesurera le TH permanent correspondant à la dureté liée aux autres sels de Ca et Mg (chlorures, sulfates, nitrates).par différences on obtient -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 70 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

TH temporaire=TH- TH permanent Correspondant à la teneur en carbonates et bicarbonates de Ca et Mg Echelle de dureté de l’eau

- le TAC ou titre alcalimétrique complet (ou encore « M Wert » correspond à la teneur totale en hydroxydes, carbonates et bicarbonates alcalins et alcalino-terreux. mesuré par addition à l’eau d’une solution titrée/acide en présence d’un colorant (méthylorange ou hélianthine), le TAC est exprimé en degré alcalimétrique français (°f). Paramètres pour eaux de chaudière :

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 71 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

2.5 - les remèdes : 2.5.1 - l’élimination des gaz dissous Les gaz généralement rencontrés en solution dans l’eau (oxygène, gaz carbonique, azote) ont la propriété commune de voir leur solubilité décroitre avec la température. C’est ainsi que la teneur maximale en oxygène décroît de 14.56 mg/l (à 0°C) à 2.81 mg/l(à 80°C). Pour fixer des ordres de grandeurs, l’eau (potable), à la température de 0°C, peut dissoudre de 25 à 40 cm3 de gaz par litre (dont environ 6 d’oxygène et 14 d’azote). Le dégazeur thermique utilise la propriété d’extraction des gaz par la chaleur afin de chasser ces éléments indésirables. L’élévation de température de l’eau est obtenue par injection de vapeur sous une pression de 150à 200 mbar eff (soit aux alentours de 105°C) :les gaz sont évacués grâce à la pression différentielle entre le dôme de l’appareil et l’atmosphère. Dégazeur thermique :

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 72 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

En l’absence de dégazeur, il est possible de lutter contre l’oxydation de l’installation grâce à l’addition de sulfites. 2.5.2 - la lutte contre l’acidité : La stabilisation du PH est obtenue par addition dans l’eau d’amines volatils neutralisantes, ou éventuellement de dérivés de l’ammoniac (ces derniers étant dans les industries agro-alimentaires). Les amines « filmantes », qui isolent les surfaces métalliques de l’oxygène et du gaz carbonique, participent également à la lutte contre l’agressivité de l’eau. Point important : un PH trop élevé est un facteur favorisant la calcification 2.5.3 - la lutte contre les sels entartrant : Bien que théoriquement en –dessous de 10°f, le risque d’entartrage soit limité, il est souhaitable de fonctionner avec une eau dont le TH tend vers 0°f, et soit en tout état de cause inférieur à 1°f .les deux principaux procédés de précipitation des sels à mettre en œuvre sont les suivants : - élimination partielle par décarbonatation au lait de chaux - élimination partielle ou totale par adoucisseur à résines, dispositif qui fonctionne selon le principe de l’échange d’ions. - Ces résines sont régénérées à l’aide de saumure (chlorure de sodium). Le rinçage doit être réalisé avec beaucoup de soin car, si les chlorures atteignent les aciers inoxydables, ils causent des corrosions inter cristallines redoutées pour les purgeurs et les vannes de contrôle. 2.5.4 - la lutte contre le primage : Le primage a deux causes principales, auxquelles On oppose des remèdes spécifiques : Causes mécaniques, qui peuvent tenir : - à la conception de la chaudière - aux variations d’allure - à la présence de matières organiques. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 73 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Parmi les solutions au problème du primage, citons la mise en place de séparateurs et de déverseurs en sortie de chaudière. Causes chimiques, auxquelles on répond par un dosage affiné des réactifs chimiques et surtout par contrôle si possible automatique des concentrations dans l’eau de chaudière. Conclusion :

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 74 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

3- Description de la chaudière : Une chaudière comporte : -

Le foyer F Le faisceau tubulaire FT Les appareils de récupération R Les appareils de tirage T Les appareils de sécurité S Les appareils de dépoussiérage D

Le foyer F est la chambre dans laquelle se fait la combustion,les combustibles peuvent être solides gazeux ou liquides. Le faisceau tubulaire avec les ballons assure la vaporisation de l’eau. Les récupérateurs épuisent la chaleur des gaz brûlés en échauffant la vapeur surchauffée (surchauffeur) ; ‘eau (économiseur), l’air (réchauffeur). Les appareils de tirage provoquent la circulation des gaz brûlés en surmontant les pertes de charge. Les appareils de sécurité protègent le corps cylindrique contre la surélévation de pression et contre le manque d’eau. Le dépoussiérage D protège l’environnement contre le rejet des cendres.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 75 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

3.1 - Eléments de la chaudière : La chaudière comporte les éléments suivants :

3.1.1 - Ballons : Les chaudières sont équipés d’un ballon supérieur où réservoir d’eau et d’un ballon inférieur. La vapeur occupe la partie supérieur du corps cylindrique et l’eau occupe la partie inférieur et cela par différence de densité . Le corps cylindrique supérieur comprend : - Une tuyauterie d’alimentation d’eau - Une tuyauterie d’introduction des réactifs chimique (le phosphate trisodique Na3PO4) - Une prise d’échantillon

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 76 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

le ballon inférieur est surtout nécessaire lorsque l’eau utilisée de mauvaise qualité, c'est-à-dire chargée en sels. Ces derniers se précipitent dans une partie de la chaudière. 3.1.2 - Faisceau tubulaire : Le faisceau tubulaire est constitué par des tubes verticaux ou fortement inclinés, ces tubes mettent les deux ballons en communication 3.1.3 - Appareils de récupérations : Leur rôle est d’épuiser le plus possible la chaleur contenue dans les gaz brûlés avant leurs rejets dans l’atmosphère en améliorant le rendement de la chaudière. Trois appareils répondent à cet objectif. 3.1.3.a - Le surchauffeur : Il est destiné pour produire de la vapeur surchauffée à partir de la vapeur saturée sortant du ballon supérieur, il est constitué d’un faisceau de tube en acier recourbés en serpentin placés devant le circuit des fumées. 3.1.3.b - L’économiseur : C’est un échangeur de chaleur qui sert à récupérer une partie de la chaleur des fumées sortant de la chaudière à une température assez élevée et à les transmettre à l’eau d’alimentation. L’eau circule à l’intérieur des tubes et les fumées à l’extérieur. 3.1.3.c - Réchauffeur d’air : Le réchauffeur d’air est situé entre l’économiseur et la cheminée, la récupération de la chaleur des fumées présents plusieurs avantages. 9 Amélioration du rendement par réduction des pertes par les fumées 9 Accélération de la réaction de combustion 9 Diminution de l’encrassement par réduction des suies du fait d’une combustion plus complète 9 Facilite le séchage et l’allumage des combustibles liquides -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 77 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

3.1.4 - Foyer « chambre de combustion » : La chambre de combustion est tapissée de tube d’eau qui composent les surfaces de chauffe soumises au rayonnement de la flamme 3.1.5 - Appareils de sécurité : Les causes d’explosion de la chaudière sont : 9 L’élévation excessive de la pression 9 L’abaissement du niveau d’eau Pour protéger la chaudière on utilise les dispositifs suivants : deux soupapes de sûreté au moins (installés sur le ballon supérieur),réglées de manière à s’ouvrir dés que la pression devient égale à la pression de calcul indiquée sur le timbre opposé sur la chaudière . Un manomètre sur le quel est clairement indiqué la valeur de la pression de calcul, permet à l’opérateur de vérifier que la pression de fonctionnement lui est effectivement inférieur. Un autre dispositif de sécurité est installé sur la chaudière et peut provoquer l’arrêt total de l’alimentation en combustible si le niveau d’eau dans le ballon chute et cela pour éviter la déformation ou l’éclatement des tubes à cause de l’augmentation brusque de température. Par contre un autre dispositif de sécurité permet de diminuer le débit d’eau d’alimentation en cas d’augmentation de niveau dans le ballon supérieur Incident liés à l’augmentation du niveau d’eau 9 Entraînement de l’eau jusqu’à la turbine 9 Phénomène de primage qui entraîne un dépôt de sels dans les surchauffeurs et sur les palettes de la turbine 9 L’entartrage des tubes vaporisateurs

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 78 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

3.1.6 - Dépoussiérage : L’eau qui vient d’un bac, s’écoule le long de tube T, placés devant le passage des fumées. L’eau débarrasse les poussières et les entraîne vers le collecteur d’évacuation.

4 - Circuits d’une chaudière :

La chaudière est constituée de deux circuits 9 Le circuit air gaz de combustion (porteur des calories de la combustion) 9 Le circuit eau vapeur (récepteur de ces mêmes calories 4.1 - Le circuit air gaz de combustion :

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 79 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

L’air destiné à la combustion est poussé par le ventilateur de soufflage, il traverse d’abord un réchauffeur où il récupère la chaleur encore contenue dans les gaz de sortie de la combustion ; ce qui à pour effet d’élever sa température. Puis l’air est envoyé aux brûleurs est participe à la production de la chaleur. Les gaz de combustion produits dans cette chambre de combustion cèdent une partie de la chaleur aux tubes vaporisateurs, ces gaz sont ensuite véhiculés au niveau des surchauffeurs où ils cèdent encore de la chaleur à la vapeur, enfin au niveau d’un économiseur, ils chauffent l’eau d’alimentation. 4.2 - Le circuit eau- vapeur : L’eau d’alimentation est réchauffée dans l’économiseur avant d’être envoyé au ballon supérieur. Le ballon supérieur alimente en eau le ballon inférieur au moyen des tubes d’alimentation. Dans les tubes vaporisateurs l’eau se transforme en vapeur. La vapeur est collecté et retourne au ballon NB : La circulation de l’eau dans les tubes se fait naturellement .en effet, à mesure que l’eau monte en température elle se charge de bulle de vapeur et devient de ce fait plus légère : elle a donc tendance à monter. Par contre dans les tubes d’alimentation venant du ballon, l’eau est moins chaude, donc plus dense et de ce fait elle descend. Cette circulation naturelle est dite thermosiphon.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 80 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

5 . Description d’une chaudière à foyer intérieur et tube de fumées :

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 81 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Elles comprennent : - Un tube de foyer, ondulé sur une partie de sa longueur, supporté par deux plaques tubulaires - Deux faisceaux tubulaires formant le deuxième et troisième trajet de fumées. Les tubes sont dudgeonnés dans les plaques tubulaires du tube de foyer. - Une boite d’inversion des fumées arrière (qui ne participe pas à l’échange) - Une boite de fumées avant - Une boite de sortie des fumées arrière Cet ensemble est monté dans un corps cylindrique calorifugé. Le fonctionnement, la régulation, les contrôles et les sécurités sont identiques à celle dans la chaudière à tube d’eau sans surchauffeur

6. Autres types de chaudières :

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 82 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 83 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 84 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Quelques problèmes rencontrés et leurs solutions

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 85 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

CHAPITRE V : Applications Exo1 : Les surfaces intérieures des murs d’un grand immeuble doivent être maintenues à 22°C, alors qua la température de la surface extérieure est t = -23°c. L’épaisseur est de 254mm et sont faits d’un matériaux en brique ayant une conductivité thermique égale à 0.5Kcal / h.m.°c. Calculer les pertes de chaleur par m2 de surface et par heure. Exo2 : Le mur d’un four est composé de deux couches adjacents, la première d’épaisseur 22.86cm est en brique réfractaire (Ȝ=2kcal/hm°C),la deuxième d’épaisseur 12.7cm est en briques isolantes (Ȝ=0.1488kcal/h.m.°c). La température à l’intérieure du four est 1649°C et la conductance par unité de surface à la paroi intérieur du mur est 58.58kcl/hm2°C.la température de l’air ambiant est 25°C et la conductance par unité de surface à la paroi extérieure du mur est 9.764kcal/hm2°C. en négligeant la résistance thermique de joints de maçonnerie,calculer : a) les pertes de chaleur par mètre carrée de surface du mur b) les températures de la surface intérieures c) la température de la surface extérieure Exo3 : La paroi d’un échangeur de chaleur est constituée d’une plaque de cuivre de 9.5mm d’épaisseur, les coefficients d’échange de chaleur sur les deux côtés de la plaque sont 2340 et 6100 kcal/hm2°C correspondants respectivement aux températures 82°C et 32°c du fluide, en supposant que la conductivité thermique de la paroi est 327 kcal/hm2°C a) calculer les températures des surfaces en degré C b) évaluer la densité de flux en kcal/hm2°C Exo4 : Calculer le flux de chaleur échangé entre le plancher 15ft(de côté), et la voûte . Les températures du plancher et de la voûte sont respectivement 1094°c et 316°c -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 86 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

On donneH =0.31 et V: La constante de Boltzman=5.67.10-8W / m2(°K)4,le facteur de forme F1-2=0.31 Exo 5 - Calcul de rendement d’un four en se basant sur la phase de combustion Exemple : Un four est alimenté en fuel gaz de composition suivante composants H2 %molaire 39.00

-

CH4 35.70

C2H8 7.31

C3H8 10.93

C4H10 C5H12 C6H14 N2 3.87 0.73 0.22 2.24

Excès d’air 20% Air de combustion (température 25°C,humidité relative75%) Tension de vapeur de l’eau à25°C=23.7mmHg Température des fumées=300°C On admet que l’air est composé de la manière suivante (79%N2,21%O2)

On demande d’estimer le rendement de combustion dans le four. Commenter le résultat ? Solution : Etude de la combustion : Réactions de combustion : H2+1/2O2----------------------------------H20 CH4 + 2O2----------------------------------CO2 + 2H2O C2H6+7/2O2------------------------------2CO2+3H2O C3H8+5O2---------------------------------3CO2+4H2O C4H10+13/2O2----------------------------4CO2+5H2O C5H12+8O2---------------------------------5CO2+6H2O C6H14+19/2O2-----------------------------6CO2+7H2O NB: H2O formée est à l’état vapeur On se basant sur les réactions de combustion on déduire le tableau suivant (basse :100Nm3 de gaz combustible)

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 87 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Composants

Volume (%)

H2 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 N2 Total

39 35.70 7.31 10.93 3.87 0.73 0.22 2.24 100

Fours & Chaudiàres

O2 pour la combustion neutre 19.5 71.4 25.585 54.65 25.15 5.84 2.09 -204.21

O2dans excès d’air……… O2 dans air de combustion…... N2 dans air de combustion…... Air de combustion………..

40.842 245.05 921.86

1166.9 1

Composition des fumées CO2

H 2O

O2

N2

0 35.70 14.62 32.79 15.48 3.65 1.32 ---

39 71.4 21.93 43.72 19.35 4.38 1.54 ----27.94

--------40.82

103.5 6 7.97

229.2 6 17.66

40.84 2 3.14

-------2.24 921.8 5 924.1 71.2

1297.76

composan ts H2 CH4 C2H6 C 3H 8 C4H10 C5H12 C6H14 N2 air total %volume ou pression partielle Volume des fumées

O2 dans l’excés d’air 20% Le nombre de mole nécessaire à la combustion= 204.21 mole L’excès d’air =20% donc O2dans l’excès d’air20%=40.842 mole N2 dans l’excés d’air 20% 40.842x79/21=153.643 N2 dans L’air de combustion 245.05x79/21=921.85mole où bien 204.21x79/21+153.643=921.86mole Calcul de la quantité d’eau dans l’air de combustion Veau= Vair (H%Psat vap) / (PT-H% Psat vap ) AN: V eau=27.94Nm3 Calcul de la masse moléculaire du fuel gaz -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 88 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

M=ȈMiyi= 17.0808kg/kmole Calcul de la masse volumique du fuel gaz ȡ=M/V molaire =17.08/22.4=0.76kg/m3 Calcul de la masse molaire des fumées M=ȈMiyi= 27.6264 kg/kmole Calcul de la masse volumique des fumées ȡ=M/V molaire =27.6264/22.4=1.23 kg/m3 Calcul du débit d’air sec nécessaire pour la combustion d’1kg de combustible 100mole----------------1166.91mole 1mole--------------------11.6691 mole

17.08--------------------11.6691x29 1kg-----------------------x x = 11.6691x29/17.08=19.81kg d’air Donc il faut 19.81 kg d’air pour un 1 kg de gaz Quantité des fumées rapportées à 1 kg de gaz combustible en négligeant l’humidité de l’air :

Calcul de l’enthalpie des fumées : La chaleur spécifique moléculaire des gaz constituant les fumées varie en fonction de la température. Mallard et le chatellier ont déterminés ces chaleurs spécifiques qui sont : O2 , N2,H2 ,CO------------------CP=6.8+6.10-4 t kcal/kmole Vapeur d’eau--------------------CP=8.1+2.9.10-4t kcal/kmole -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 89 -

SONATRACH / IAP SKIKDA

Fours & Chaudiàres

Gaz carbonique-----------------CP=8.5+3.7.10-4t La température des fumées 300°C CP kcal/kmole O2 N2 H20 CO2

6.98 6.98 8.19 8.61

H /kmole 2094 2094 2457 2583

kcal H kcal /Kg 65.43 74.78 136.45 58.70

H fumées=ȈHiYi=84.07 kcal/kg de fumées H fumées =84.07x20.81=1749.49 =1749.5 kcal/kg de combustible Calcul du pouvoir calorifique : H2 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 TOTAL

%vol 39 35.7 7.31 10.93 3.87 0.73 0.22 97.76

PCIkca/kmole 85200 192500 342000 485100 625700 782000 928900

(axb)/97.76kcal/kmole 23218.08 70297.15 25573.03 54236.32 24769.425 5839.40 2090.40 Ȉ=206023.80

PCI=206023.80/17.08=12062.28kcal/kg combustible La chaleur sensible de l’air=mCPǻT=19.81x0.241x25=118.86 kcal La chaleur sensible du gaz=mCPǻT=1x25x1.985=49.625 kcal On négligeant les deux chaleurs sensible devant le PCI Ș= 100-(H fumées/PCI)x100 Ș= 100-(1749.5/12062.28)x100=85.5% Conclusion : Le rendement calculé correspond bien à la valeur donnée par le constructeur : x le four peut encore fonctionner. x pas d’encrassement. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A. BENAhMED & M. TOUIKER

04-08/03/2006 - 90 -

Bibliographie · Le Pétrole Raffinage et génie chimique T1.T2 · COURS « Appareils tubulaire d’échange thermique »

PIERE WUITHIER IAP SKIKDA

· Internet · Technique d’ingénieur échangeurs de chaleur problème de fonctionnement B2344 · Matériel et équipements « encyclopédie raffinage » Tome 4

· Brochures · Recherche bibliographique · Impression « service reprographie SH/IAP SKIKDA »

IAP SKIKDA A. MAHFOUDI M. LEKHAL