Compréhension de l'impact des technologies de l'échangeur pour minimiser l'encrassement par les hydrocarbures / Anthony Chambon ; sous la direction de Bernard Vinet

Date :

Type : Livre / Book

Type : Thèse / Thesis

Langue / Language : français / French

Catalogue Worldcat

Pétrole, Technique du

Économies d'énergie -- Appareils et matériel

Échangeurs de chaleur -- Encrassement

Classification Dewey : 530

Vinet, Bernard (Directeur de thèse / thesis advisor)

Marty, Philippe (19..-.... ; physicien) (Président du jury de soutenance / praeses)

Bougeard, Daniel (19..-....) (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Aubert, Stéphane (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Macchietto, Sandro (Membre du jury / opponent)

Anxionnaz, Zoé (1983-....) (Membre du jury / opponent)

Fourmigué, Jean-François (19..-....) (Membre du jury / opponent)

Communauté d'universités et d'établissements Université Grenoble Alpes (2015-2019) (Organisme de soutenance / degree-grantor)

École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) (Ecole doctorale associée à la thèse / doctoral school)

Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble) (Laboratoire associé à la thèse / thesis associated laboratory)

Résumé / Abstract : L’amélioration de la récupération d’énergie dans les procédés industriels passe par une meilleure compréhension des phénomènes d’encrassement dans les échangeurs de chaleur. L’encrassement se caractérise par la formation de dépôts non désirés sur les surfaces d’échange de l’échangeur. Cette étude porte sur l’amélioration de l’efficacité énergétique des raffineries de pétrole par réduction de l’encrassement dans les échangeurs de chaleur du train de préchauffe.Pour cela, une boucle d’essai reproduisant les niveaux d’échange et les écoulements rencontrés en raffinerie a été employée pour tester un échangeur de type tubes et calandre. Les fluides traités sont du pétrole brut et de résidu de distillation atmosphérique (coupe lourde du pétrole) comme dans le procédé industriel. On s’intéresse à l’influence de la géométrie de l’échangeur. Des faisceaux de tubes avec des corrugations internes hélicoïdales et des ailettes externes sont successivement testés. Pour chacune des technologies, les paramètres opératoires optimums permettant de limiter la formation d’un dépôt encrassant sont identifiés sur une gamme de température de film et de cisaillement s’échelonnant respectivement de 230 à 300°C et de 1,3 à 8,8 N/m2. L’efficacité des tubes optimisés pour lutter contre l’encrassement est évaluée par comparaison avec l’encrassement obtenu sur le faisceau de tubes lisses pris comme référence. Les deux technologies se sont révélées efficaces pour réduire l’encrassement. Par rapport aux tubes lisses, l’encrassement a été réduit d’un ordre de grandeur à cisaillement et température de film équivalentes aussi bien avec les tubes structurés qu’ailetés.En parallèle, une simulation d’encrassement numérique (CFD) a été élaborée pour mieux comprendre le développement de l’encrassement dans l’échangeur équipé de tubes lisses. Les phénomènes dominants à l’origine de l’encrassement de l’échangeur ont été déterminés : la vitesse de formation du dépôt, peu affectée par les variations spatiales de la thermo-hydraulique, pilote l’encrassement. Les hétérogénéités d’encrassement sont causées par les disparités locales de la vitesse d’arrachement du dépôt qui varie en grande proportion mais dont l’influence sur la vitesse d’encrassement est faible. Elles sont dues à une inhomogénéité spatiale du cisaillement qui est la conséquence de l’établissement de l’écoulement dans les tubes. Une tentative d’amélioration de la précision de la prédiction de l’encrassement a été également entreprise en optimisant les paramètres d’un modèle d’encrassement existants et en tenant compte du vieillissement du dépôt.

Résumé / Abstract : Improving energy recovery in industrial processes requires a better understanding of fouling phenomena in heat exchangers. Fouling is the grow up of unwanted materials on heat transfer surfaces. This study focuses on improving the energy efficiency of petroleum refineries by reducing fouling in heat exchangers of the pre-heat train.For this purpose, a test rig reproducing thermal and flow characteristics encountered in the last heat exchanger of the pre-heat train was used to test a pilot-scale shell-and-tube heat exchanger. Fluids are the same as the ones processed in refineries: crude oil and atmospheric tower bottom, a heavy residue of oil. This study focuses on the influence of the heat exchanger geometry. Internally helically-finned tubes and externally low-finned tube bundles are successively tested. For each one, optimum operating parameters which reduce fouling are identified over a 230-300°C film temperature range and a 1.3-8.8 N/m2 wall shear stress range. The fouling mitigation efficiency of the enhanced tubes is compared with smooth tubes taken as a reference. Compared to smooth tubes, fouling on helically-finned and low-finned tubes is reduced by an order of magnitude when they are operated at equivalent wall shear stress and film temperature.In addition, a numerical (CFD) fouling simulation has been developed to provide a better understanding of the fouling in the heat exchanger with smooth tubes. Dominant phenomena driving fouling in the heat exchanger were determined. The deposition rate is weakly impacted by the spatial variations of the thermo-hydraulic and controls the overall fouling rate. Heterogeneities in fouling rate are caused by the local scattering in the removal rate, which varies in a broad range but whose impact on the overall fouling rate is low. The broad range of the shear stress is the consequence of the fluid flow entrance effects. An attempt to improve accuracy of the fouling model has been undertaken by optimizing the model parameters and by considering aging of the deposit.