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Enseignante : A.TRABELSI 17 Chapitre III : Les fours industriels III.1. Introdu

Enseignante : A.TRABELSI 17 Chapitre III : Les fours industriels III.1. Introduction A l’échelle industrielle, on a souvent recourt à utiliser des équipements thermiques, qui assure l’échange d’énergie entre la charge à réchauffer et les autres éléments, constituant le procédé. Ces équipements sont indispensables et omniprésents dans toute installation industrielle, vue leur rôle principal dans le procédé. Ils jouent le rôle des récupérateurs de chaleur, des générateurs et suite à leur fonction, ils sont appelés ainsi des réchauffeurs. Ces réchauffeurs sont divisés en deux catégories :  Les réchauffeurs directs,  Les réchauffeurs indirects. Les plus utilisés sont les échangeurs de chaleur, qui possèdent une large variété en se basant sur leurs critères de classification. On trouve, en outre, les fours industriels, les chaudières, les bruleurs…etc. Dans ce qui suit, on va s’intéresser aux réchauffeurs à combustion, dans lesquels l’énergie produite par combustion est transmise directement au fluide à réchauffer. On se focalisera sur les fours industriels. III.2. Définition et utilisation des fours industriels Définition : Un four est un appareil, mené d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur, les produits et les objets. En cuisine, il permet de cuire des aliments. Dans un processus de production d'objet, le four permet de réaliser le traitement d'objets par la chaleur : poteries, céramiques, verres, métaux…etc. Utilisation des fours industriels : Les usages des fours 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. Selon l'effet de l'apport de chaleur au fluide de procédé, on peut distinguer : Un four est un outil de production, destiné à élaborer ou transformer des matériaux grâce aux transferts thermiques entre une source de chaleur et la matière à traiter. Enseignante : A.TRABELSI 18  Les fours de réchauffage de fluide sans changement d'état physique dans lesquels la charge liquide ou vapeur ne reçoit que de la chaleur sensible. C'est le cas par exemple : • des fours des unités de reformage catalytique ou d'hydrotraitement de coupe de tête de distillation du pétrole brut, dans lesquels la charge déjà vaporisée à l'entrée du four est portée à la température nécessaire au déroulement des réactions chimiques sur les lits de catalyseur • des fours "à huile chaude" (encore appelés chaudières) où un liquide caloporteur reçoit l'énergie thermique qu'il cède ensuite dans des réchauffeurs. • des surchauffeurs de vapeur indépendants des fours de vapocraquage quand la vapeur produite dans les échangeurs de ligne de transfert n'est pas surchauffée dans la zone de convection.  Les fours de réchauffage de liquide avec vaporisation partielle que l'on rencontre en particulier dans les unités de distillation : four de distillation atmosphérique ou sous-vide de pétrole brut, four de rebouillage. Dans ces fours, la charge reçoit de la chaleur latente pour atteindre le degré de vaporisation requis.  Les fours de réchauffage de fluide avec réaction chimique. Le faisceau tubulaire du four peut alors être assimilé à un véritable réacteur chimique. On rencontre ce type de four dans les unités de craquage thermique : • craquage thermique de distillats • viscoréduction de résidus • vapocraquage (fabrication d'éthylène) • reformage à la vapeur (fabrication d'hydrogène). Dans ce dernier cas, un catalyseur est déposé à l'intérieur même des tubes du faisceau. Enseignante : A.TRABELSI 19 Figure (III.1) : Schéma descriptif de la distillation atmosphérique avec les différents équipements Enseignante : A.TRABELSI 20 III.3. Classification et description des fours industriels La classification des fours industriels est basée sur quatre critères : De la manutention du produit : fours continus ou discontinus. Du procédé de chauffage : direct ou indirect. Du niveau de température. Du combustible utilisé. III.3.1. Fours continus et fours discontinus C’est la manutention et la circulation du produit qui est ici le critère. Dans un four continu, le produit à chauffer entre à une des extrémités et en ressort à l’autre. C’est le cas : — des fours de réchauffage de semi-produits (fours à longerons et fours poussant) de la sidérurgie ; — des fours de l’industrie chimique et du raffinage ; — des fours rotatifs de l’industrie cimentière. Figure (III.2) : Petit four rotatif pour cimenterie Enseignante : A.TRABELSI 21 Figure (III.3) : Industrie chimique de conception des installations de raffinerie de goudron de houille Figure (III.4) : usine de raffinerie de pétrole et de gaz Enseignante : A.TRABELSI 22 Dans un four discontinu, le produit à chauffer est immobile dans le four ; il est chargé et déchargé (enfourné et défourné) au même endroit. C’est le cas : — des fours à sole mobile de forge ; — des fours à soles fixes de traitement thermique ; — des fours à cloches mobiles et élévateurs. Cette différence dans la manutention entraîne des différences notables du point de vue thermique. Figure (III.5) : Four à sol tournante pour forge Figure (III.6) : Four industriel, équipement thermique, four de fusion Enseignante : A.TRABELSI 23 III.3.2. Chauffage direct et chauffage indirect Dans les fours à chauffage direct, il y a contact entre les gaz issus de la combustion et les produits à chauffer. Du point de vue thermique, cela entraîne qu’une partie du transfert de chaleur s’effectue par convection. Pour les fours à chauffage indirect, l’interaction entre les gaz de combustion et les produits n’existe plus. Par contre, il s’introduit une résistance supplémentaire au transfert de chaleur, qui doit se faire par conduction au travers de la paroi protectrice, puis par rayonnement et éventuellement par convection vers la charge. Le problème technologique est alors la tenue de cette paroi, qui est portée à haute température et est au contact de la flamme et / ou des gaz à haute température. III.3.3. Fours à haute et à basse température La classification est ici plus arbitraire car une même température peut être considérée comme haute dans un type d’activité et basse dans une autre activité. Exemple : une température de 700 °C sera considérée comme haute dans l’industrie chimique et basse en sidérurgie ou dans l’industrie du verre. Même si cette limite est un tant soit peu arbitraire, elle n’en est pas moins réelle. D’un point de vue technologique, au-dessus de 700 °C à 800 °C, il devient délicat de construire des fours à chauffage indirect. D’un point de vue thermique : — au-dessus de 1 000 °C, le transfert de chaleur se fait essentiellement par rayonnement ; — au-dessous de 700 °C, la part de la convection devient non négligeable et on cherchera à l’améliorer par mise en circulation des gaz autour du produit. Fours à haute température : Ce sont les fours de sidérurgie, de verrerie, de cimenterie. La température que l’on veut obtenir sur le produit dépasse, et parfois nettement, 1 200 °C. C’est également le cas d’un certain nombre de fours de l’industrie du pétrole et de la chimie dans lesquels, bien que la température du produit soit inférieure à 500 °C, une partie importante de la chaleur est fournie directement par le rayonnement de la flamme dans une zone de radiation. Le transfert de chaleur s’y fait essentiellement par rayonnement de la flamme et des gaz issus de la combustion. Les transferts de chaleur par rayonnement découlent fondamentalement de la loi de Stefan-Boltzmann. La convection jouera dans ces fours un rôle secondaire pour ce qui concerne la quantité de chaleur transférée, mais aura, dans un certain nombre de cas, un impact non négligeable sur l'égalisation des températures. Fours à basse température : Ce sont, en particulier les fours de traitement thermique de métallurgie, les fours de revêtement de surface et les fours pour les métaux non ferreux. La Enseignante : A.TRABELSI 24 température que l'on veut obtenir sur le produit dépasse rarement 700°C, et est parfois sensiblement inférieure. C'est également le cas des zones de convection des fours de l'industrie du pétrole et de la chimie. Le transfert de chaleur s'y fait essentiellement par convection de gaz transparents. La loi fondamentale du transfert de chaleur est la loi de newton. III.3.4. Autres fours : On peut classer les fours en fonction de l'énergie utilisée. Le type d'énergie disponible et utilisé a, en effet, un impact important sur la conception, l'utilisation et l'exploitation des fours. On trouvera dans le domaine des fours industriels, avec plus ou moins d'importance les fours électriques (à arc, à induction, à électrodes submergés, à effet joule, etc.), les fours à combustible (gaz, liquide et solide). III.4. Constitution du four D’une façon générale, les fours comportent les parties principales suivantes : a) Une zone dite de radiation, constituée essentiellement d’une chambre de combustion, dans laquelle des tubes sont disposés. Les tubes, non jointifs, sont reliés entre eux par des coudes. Le fluide à chauffer circule à l’intérieur de ce faisceau de tubes. La transmission de chaleur s’effectue principalement par radiation. Une fraction de l’échange se fait également par convection entre les fumées et les tubes. La température des fumées, à la sortie de la zone de radiation est de l’ordre de 700°C et donc le rendement est faible uploads/Industriel/ chapitre-iii-master-gc.pdf