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Chapitre X Fours tubulaires Dr. Amani CHAMS – Chimie Industrielle; 2013 - 2014

Chapitre X Fours tubulaires Dr. Amani CHAMS – Chimie Industrielle; 2013 - 2014 1 Production de chaleur 2 Chapitre X La production et le transport de chaleur est un vaste domaine, et c'est un point important du fonctionnement de nombreux procédés mais également d'installations diverses (centres commerciaux, gares, aéroports, etc...). La production de chaleur peut être réalisée de différentes manières: - combustion de solide (feu de cheminée à foyer ouvert, à foyer fermé, chaudières à charbon,…) - combustion de liquide (fuel domestique, fuel industriel,…) - combustion de gaz (gaz naturel, propane ou butane détendu,…) pompe à chaleur - effet joule dans des résistances électriques - induction électromagnétique, etc... Combustion: la combustion est bien souvent le moyen le plus économique pour générer de la chaleur. Elle peut être réalisée avec des combustibles divers solides, liquides ou gazeux, en utilisant de l'air en convection naturelle ou forçée, ou plus rarement de l'oxygène. Cette combustion peut être réalisée dans différents types d'appareils tels une chaudière à eau chaude (type chaudière gaz de maison individuelle), une chaudière à vapeur (distribution de cette vapeur vers les utilisateurs par réseaux de tuyauteires), ou des fours permettant de chauffer directement le produit concerné (alimentation d'un réacteur par exemple, charge d'une colonne...). Introduction 3 Utilisation des fours tubulaires Dans la plupart des installations de pétrochimie, l’apport des calories nécessaires au procédé mis en œuvre se fait par l’intermédiaire d’un four à chauffage direct dans lequel les calories produites par la combustion dont transmises par les mécanismes de radiation et de la convection au fluide à réchauffer qui circule dans un serpentin tubulaire ou un faisceau de tubes, d’où le nom de « fours tubulaires » que l’on donne à ce type d’appareils. Les usages de ces 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. On peut citer les exemples suivantes: -Réchauffage d’un fluide sans changement de phases; -Réchauffage d’un fluide avec vaporisation partielle; -Réchauffage d’un fluide avec réaction chimique. Chapitre X Caractéristiques générales des fours tubulaires 4 Chapitre X 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 fixés 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 détérioré. Le four doit comporter des brûleurs qui peuvent être alimentés en combustible et en air. Dans la plupart des fours, 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 due au tirage de la cheminée. Les produits de la combustion cèdent leur chaleur aux tubes par radiation et convection. Les pertes calorifiques à travers les murs du four se font par conduction. Rendement d’un four 5 Chapitre X L’économie d’exploitation est une facteur prépondérant dans l’étude d’un four. 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. Une partie, en général très faible, de la chaleur non absorbée est perdue par conduction à travers les parois du four. Les pertes les plus importantes sont les pertes à la cheminée, dissipées dans l’atmosphère par les fumées qui sortent du four à température encore assez élevée. Ces pertes à la cheminée dépendent de deux facteurs principaux : l’excès d’air de combustion et la température des fumées. On peut jouer sur le premier facteur par un réglage correct de le combustion. Mais, on ne peut pas 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, - et ensuite la formation de CO susceptible de se combiner à l’oxygène encore présent dans les fumées en dehors de chambre de combustion, c’est le phénomène de post- combustion qui peut endommager le four. - la température des fumées dépend d’un très grand nombre de facteur. En fait, pour un excès d’air donné, la température à laquelle les fumées sortent de la zone de radiation est déterminée par la charge thermique du four, la surface et la température des tubes. Rendement d’un four 6 Chapitre X 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 la chaleur de celles-ci. Il faut toutefois signaler que la température des fumées reste toujours supérieure à la température d’entrée de la charge dans le four. On peut alors utiliser les fumées pour réchauffer l’air de combustion dans un préchauffeur installé à la suite de la zone de convection. Ce procédé permet d’améliorer le rendement du four. Pourtant, il faut signaler qu’on ne peut réduire trop la température des fumées. Le tirage de la cheminée diminue lorsque la température des fumées diminue, quand le tirage est trop faible, il devient nécessaire d’utiliser un ventilateur. Une autre raison limitant la récupération de la chaleur des fumées est qu’en dessous d’une certaines température, les fumées laissent condenser des produits acides susceptibles de provoquer des effets corrosifs. Description des différents types de fours 7 Chapitre X Description générale Un four tubulaire est constitué d’une enveloppe métallique de formes diverses, souvent parallélépipédique ou cylindrique. Le four comporte une zone dite « zone de radiation » qui est celle où les tubes sont directement exposés à la flamme et reçoivent la chaleur principalement par radiation des produits de la combustion. Cette zone est la chambre de combustion où se développe la flamme. Devant les parois de cette zone, sont placés les tubes en une rangée, ou en deux rangées. Description des différents types de fours 8 Chapitre X Description générale La zone de convection est installée à la sortie des fumées de la chambre de combustion. Elle est constituée d’un faisceau de tubes placés perpendiculairement ou parallèlement à la direction des fumées. Dans les deux cas, on cherche à obtenir une vitesse assez grande pour les fumées de façon à augmenter le coefficient d’échange. L’enveloppe métallique du four doit être renforcée pour résister aux actions du vent et supporter l’ensemble de faisceau tubulaire. Comme 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 des entrées d’air parasites qui auraient un effet préjudiciable sur le rendement du four. Les parois intérieures du four, particulièrement celles de la chambre de combustion sont protégées contre les effets de la température par un garnissage réfractaire et isolant, qui en outre, a pour but réduire les pertes calorifiques à l’extérieur. Description des différents types de fours 9 Chapitre X Description générale Le plancher de la zone de combustion constitue la sole du four. Elle est aussi recouverte d’une couche des produits réfractaires et isolants. Les parois verticales sont percées d’orifices dans lesquels sont placés les brûleurs. Un certain 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. La cheminée de forme cylindrique peut-être située directement sur le four ou sur une fondation séparée. Description des différents types de fours 10 Chapitre X Description générale Le rôle de la cheminée est multiple : -Son premier but est de conduire les fumées dans l’atmosphère à une hauteur telle , qu’elles ne risquent pas de gêner le voisinage, -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. 11 Chapitre X Description des différents types de fours 12 Chapitre X Description des différents types de fours On peut placer les fours en deux grandes catégories :les fours où les tubes de la zone de radiation sont horizontaux et ceux où les tubes sont verticaux. Dans les fours à tubes horizontaux, on distingue les fours classiques et les fours cabines 1- les fours classiques Dans ces fours, la chambre de combustion a une section à peu près carrée. La zone de radiation est séparée de la zone de convection par un mur en briques uploads/Industriel/ chapitre-x.pdf