05_K6-1 Matériel Chaudronné

8/18/2019 05_K6-1 Matériel Chaudronné

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BE MCH - 01881_B_F - Rév. 1 18/08/2011

I - COLONNES (COLUMNS OR TOWERS) ................................................................................. 1

II - BALLONS (DRUMS) ................................................................................................................. 4

1 - Ballon décanteur ........................................................................................................................... 42 - Ballon de reflux ............................................................................................................................. 43 - Ballon de détente .......................................................................................................................... 54 - Ballon tampon ou de garde ........................................................................................................... 55 - Ballon de stockage........................................................................................................................ 66 - Ballon de lavage ............................................................................................................................ 77 - Dimensionnement des ballons ...................................................................................................... 7

III - RÉACTEURS (REACTORS)..................................................................................................... 8

1 - Réacteur axial ............................................................................................................................... 92 - Réacteur radial............................................................................................................................ 103 - Réacteur pour mélanges liquide et gaz....................................................................................... 11


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I - COLONNES (COLUMNS)

La distillation est un procédé de séparation en continu permettant, à partir d'un mélange de constituants devolatilité différente, de fabriquer deux ou plusieurs produits de diverses qualités.

Le procédé consiste à réaliser une succession d'équilibres liquide-vapeur à des températures différentes enorganisant la circulation à contre courant d'un flux liquide descendant par gravité dans une colonne et d'unflux vapeur ascendant.

Ce procédé est mis en œuvre dans des colonnes de distillation ou de fractionnement dont les dimensionssont très variables.

CONSTITUTION D'UNE COLONNE DE DISTILLATION

Les colonnes sont des appareils chaudronnés constitués par :

a - Une virole de forme cylindrique (cylindrical shell) en tôles d'acier soudées bout à bout

L'épaisseur de la virole est calculée en fonction des règles de construction des appareils sous pressionsuivant les codes en vigueur (ASME-CODAP etc.). Cette épaisseur doit permettre de résister à la pression, àla corrosion éventuelle, aux effets de la pesanteur et du vent.

Les aciers utilisés sont sélectionnés surtout en fonction des critères de corrosion et de température.

b - Des fonds (heads) de formes diverses, le plus souvent elliptiques (de rapport 1,9/1) ou sphériques

Les fonds elliptiques sont, en général, disponibles jusqu’à des diamètres proches de 3 m.

c - Une jupe (skirt)

Elle assure le supportage de la colonne et la liaison avec la fondation. De forme cylindrique ou faiblementtronconique pour les faibles diamètres et les grandes hauteurs.

La jupe porte à la partie inférieure un ensemble de chaises destinées à transmettre à la fondation les forcesde fixation à l'aide des boulons d'ancrage. Pour les petites colonnes, la jupe est remplacée par un supportageà l'aide de pieds (profil L, I ou U).

d - Une série d'accessoires

• À l'extérieur

Des trous d'hommes (man holes) de visite ; pour des colonnes de diamètre inférieur à environ 1 m ceux-cisont remplacés par des trous de poing :

– divers piquages (nozzles) de tuyauteries pour les entrées, sorties ou soutirages de produits

– des prises de mesure pour la régulation (pression, température, niveau)

– des passerelles (walkways) et des échelles d'accès entre celles-ci. Ces ensembles sontfixés à la colonne par l'intermédiaire de goussets soudés sur la virole

– des supports pour les lignes de tuyauteries et l'isolation

– des tourillons de levage lors du montage de la colonne qui, bien souvent, sont supprimés

après mise en place de l'appareil – des raidisseurs afin de résister aux pressions inférieures à la pression atmosphérique

Une potence en partie supérieure afin de faciliter les opérations de maintenance lors desarrêts


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COLONNE DE DISTILLATION

— Agencement extérieur —

Potence Trou d'homme

ANNEAUDE BASE

FONDINFÉRIEUR

FONDSUPÉRIEUR

A

Goussets

Détail A

Jupe

Virole

Support deplateau

Déversoir

Soutirage

Niveau àglace

Pied pourpetite colonne

Chaises

Soupape de sûreté Sortie vapeurÉvent

Trou d'homme

Déversoir

Tourillon de levageSeuil réglable

Indicateur detempérature

Alimentation

Supports calorifuge

Plateaux

Contrôleurde niveau

Niveau normal

Évent de jupe

Passage de tubulureSortie fond de tourAccès dans jupe

Tourillonde levage

à bossoir

LT

Passerelle

Colonne surstructure

jupe

JUPE

D

M E Q 0

4 9 A


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• À l'intérieur

Tout un équipement interne (internals) propre au procédé utilisé :

– des plateaux (trays) et leurs déversoirs ainsi que les ensembles de poutraison destinés à lessupporter – diverses cloisons, chicanes, pot de soutirage et tuyauteries intérieures

Déversoir fixé par crapauds

Barrage avec plaquette d'étanchéité

Clapet à ergots (Valve tray)

Trou d'homme

Passerelle

Plateau accumulateur avec cheminéecentrale et pot de soutirage

Tubulure de soutirage

Couronne supportant le plateau

Plateau distributeur perforé (Sieve tray)

Poutrelle en U

Chicanes

Plateau annulaire

Évent de jupe

Poutrelle trapézoïdale

Trou d'homme dans la jupe

Chaise

D M E Q 0

4 6

A


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II - BALLONS (DRUMS)

Les ballons sont des ensembles chaudronnés constitués par une enveloppe cylindrique soudée et par deuxfonds hémisphériques, elliptiques ou torisphériques. Ils sont supportés par des berceaux (saddle supports)

pour les appareils horizontaux, par une jupe ou des pieds (legs) pour les appareils verticaux. La fixation sur lafondation est réalisée par des boulons d'ancrage.

Ces ballons sont utilisés comme capacités de stockage, comme capacités-tampon permettant d'assurer unecertaine stabilité de fonctionnement à des procédés plus ou moins intégrés ou comme séparateurs dephases ; ces deux dernières fonctions peuvent être assurées simultanément dans le même ballon.

Les appellations usuelles n'ayant à respecter aucune terminologie officielle sont souvent ambiguës. Toutefoiselles cherchent à traduire la fonction assurée (ballon décanteur, séparateur, etc.) ou le rôle joué dans leprocédé (ballon de reflux, de flash, de garde, etc.).

Sans vouloir être exhaustif on peut distinguer :

1 - BALLON DÉCANTEUR

Il assure la séparation en continu de deux fluides non miscibles. Il est très souvent équipé d'undéflecteur sur la tubulure de reprise ; ceci afin d'éviter au maximum toutes turbulences dans le fluide.La décantation s'effectue par l'effet de différence de densité en jouant sur la vitesse de circulation et letemps de rétention.

Alimentation

Phaselégère

Phasegaz

Phaselourde

D

M E Q 0

4 0 A

D M E Q 0

4 1 A

Système dit "Vase florentin"

Alimentation Équilibrage 2 0 0

m i n i

2 0 0

m i n i

Phaselégère

Phaselourde

2 - BALLON DE REFLUX

Le rôle du ballon de reflux est de recevoir l'effluent du condenseur de tête, de réaliser si nécessaire laséparation des phases qu'il collecte et de constituer une mesure de produit liquide pour assurer undébit régulier de reflux et de soutirage.

Lorsqu'il y a présence d'eau dans la phase liquide, ce ballon comporte en plus un appendice fixé aufond par bride ou par soudage. Dans cet appendice l'eau s'accumule et est évacuée après un tempsde rétention assez court. La hauteur de cet appendice est comprise entre 60 et 90 cm afin de pouvoir yplacer un contrôleur de niveau ; le diamètre minimal est d'environ 30 cm. Pour favoriser le drainage de

l'eau, le ballon est incliné sur ses berceaux, vers cet appendice, suivant une pente de 5 à 7 %.


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L+V + eau

L

Eau

eauNHNNNB

D

M E Q 0

1 2 A

6 0 0 à 9 0 0

300

mini

Niveauhorizontal

pente 5 à 7 %

Ballon de reflux avec appendice

V

D

L ou L+V V

L200 à 300

si D > 600

NHNN

NB

D

M E Q 0

1 1 A

Ballon de reflux sans appendice

3 - BALLON DE DÉTENTE

Appelé quelquefois ballon séparateur, il est placésur les lignes où circule un mélange liquide-vapeurqu'il faut séparer afin de traiter isolément chaque

phase.Il est en général en position verticale.

Le ballon de vide-vite, et celui de pied de torcherentrent également dans cette catégorie.

D

M E Q 0

4 2 A

L+V

niveau maxi

niveau mini

4 5 0

1 5 0

m i n i

NH

NB

L

V

4 - BALLON TAMPON OU DE GARDE

L'objectif est d'éviter l'entraînement de gouttelettesde liquide par une phase gazeuse (exemple :protection à l'aspiration des compresseurs).

Pour assurer une bonne efficacité, on dispose unmatelas métallique de 10 à 15 cm d'épaisseurdestiné à retenir les gouttelettes qui s'agglomèrentlors de leur passage.

Il y a parfois lieu de surveiller les pertes de charge àtravers le matelas qui risque de s'obturer, à cet effeton place alors un indicateur de pressiondifférentielle.

P

D

M E Q 0

4 3 A

L+V niveau

maxi

matelas

métallique

2 0 0

1 , 2 à 1 , 5 D

1 5 0

L

V

D


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5 - BALLON DE STOCKAGE

Il n'y a dans ce cas, qu'un rôle de récipient et sa capacité est en général assez faible : (quelquesmilliers de litres).

Il peut servir à réaliser, soit :

– un stockage aérien : stockage de produits auxiliaires de fabrication

– un stockage souterrain : son rôle est identique au précédent, mais présente l'avantagede dégager l'aire de stockage. Il doit être fixé sur ses berceaux de supportage afind'éviter son soulèvement par poussée d'Archimède en cas d'immersion, s'il est vide

Réservoir de stockage aérien

Réservoir de stockage enterré

1

6

2 3

4

5

2

1

3 4 5 6

7

8

9

10

1113 12141516

1 - Indicateur de niveau2 - Retour éventuel3 - Trou anti-siphon4 - Trou d'homme5 - Évent6 - Fil pour vanne

sécurité anti-feu

13 - Vanne d'arrêt14 - Berceaux15 - Purge16 - Étanchéité cuvette

1 - Sable sec

2 - Renforcement pouraire de passage

3 - Remplissage

4 - Évent

5 - Cuvelage étanche ou ballonsur berceaux et ancré

6 - Vers utilisation

7 - Évent pare-flamme8 - Vanne9 - Portillon

10 - Raccord "pompier"11 - Vers utilisation12 - Vanne sécurité anti-feu

D

M E Q 0

1 3 A


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6 - BALLON DE LAVAGE

Des effluents gazeux corrosifs sont lavés à l'eau sodée.

Ils sont mélangés à la solution de soude avant d'entrer dans le compartiment inférieur du ballon.

Puis ces gaz quittent ce compartiment par le piquage supérieur.

Dans ce compartiment, les gaz circulent à contre courant de l'eau au travers de plusieurs plateaux àcloches.

Les gaz sortent en tête du ballon pour être conduits vers un autre équipement.

Les tuyauteries d'eau et de solution de soude sont positionnées de façon à purger et maintenir lesniveaux des 2 compartiments.

Pour éviter la corrosion, l'intérieur du ballon est revêtu d'une résine époxy et les internes sont enmonel, acier carbone ou polypropylène.

LAHH

LC

LC

LAHH

LALL

Revêtement

Anti vortex

Trou d'homme

Trou d'homme

SORTIE DES GAZ

SOLUTIONDE SOUDE

Monel ou polypropylène

avec matelas

1

2

3

4

5

NaOH

GAZ + SOLUTION

DE SOUDE

D

M E Q 1

1 3 8 C

EAU

EAU

BALLON DE LAVAGE


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7 - DIMENSIONNEMENT DES BALLONS

Hors de la définition de l’épaisseur, il est surtout tenu compte de deux facteurs importants dans le

dimensionnement des ballons :Espacement à prévoir pour réduire suffisamment les vitesses de circulation afin d’éviter lesentraînements de phases lourdes dans la phase légère et réciproquement. La vitesse de circulationest choisie par rapport à la vitesse critique d’entraînement, selon les tolérances concernant parexemple, l’entraînement de gouttelettes liquides dans un circuit vapeur, les vitesses admissiblespourront se situer de 80 à 170 % de la vitesse critique d’entraînement calculée par :

Vem/s

= 0,048

!L

!G – 1

avec !L et !G : masses volumiques dans les conditions opératoires.

Capacité de rétention du ballon, fonction de diverses considérations (procédé, contrôle, sécurité). Elledoit assurer une couverture en débit pouvant varier de 5 à 15 minutes.

Nota : en pratique, le rapport Longueur/Diamètre est très souvent de l’ordre de 2 à 5.

III - RÉACTEURS (REACTORS)

On appelle réacteur tout appareil réalisant une opération de caractère chimique.

On peut classer les réacteurs suivant le type de transfert thermique :

– gradient thermique faible : conditions isothermes

• réacteurs type échangeur : steam reforming (phase gazeuse) ; hydrogénation descoupes pétrolières (phase liquide)

• réacteurs à lit fluide : FCC (phase gazeuse)• réacteurs à lit bouillonnant : hydrogénation du benzène (phase liquide)

– gradient thermique libre : conditions adiabatiques

• réactions exothermiques : hydrodésulfuration des fuels• réactions endothermiques : reforming catalytique

– gradient thermique dirigé : synthèse NH3

La désactivation du catalyseur (catalyst) nécessite :

– soit le remplacement du catalyseur en continu ou discontinu avec arrêt de l'unité

– soit la régénération du catalyseur :

• réacteurs à lits fixes (reforming - hydrotraitement)• réacteurs à lits circulants (cracking catalytique)


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QUELQUES TYPES DE RÉACTEURS UTILISÉS EN RAFFINAGE SONT DÉCRITS CI-APRÈS.

1 - RÉACTEUR AXIALUn distributeur d'entrée répartit le fluide uniformément sur toute la section du lit de catalyseur(surmonté d'une couche de billes d'alumine).

Un tamis métallique recouvre le collecteur de sortie et empêche les billes d'alumine de s'échapper.

D

M E Q 0

1 4 A

Distributeur entrée

L

h

h

Orifice de vidangeCollecteur sortie

Billes d'alumine1/4"

Billes d'alumine

3/4"

Billes d'alumine

3/4"

Catalyseur

Passage cannethermométrique

Acier allié1,25 Cr 0,5 Mo

150

150


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10

2 - RÉACTEUR RADIAL

Lorsque les pertes de charge sont importantes on préfère cette disposition. Le fluide sortant dudiffuseur entre dans les conduits périphériques solidaires d'un bouclier (scallops). Ces conduits

pourvus de fentes dirigent le fluide vers le tube central.

Ce sont généralement des réacteurs à paroi froide. L'enveloppe extérieure en acier faiblement allié estcalculée pour soutenir la pression. Un réfractaire déposé par gunitage isole thermiquement cetteparoi. Le lit du réacteur est enfermé dans une enveloppe en acier inox (18-10). Il y a un espace mortentre cette enveloppe interne et le réfractaire, mais l'ensemble est conçu de telle sorte que le gaz necircule pas dans cet espace mort de façon à éviter les dégradations du réfractaire par érosion.

Une peinture thermorévélatrice est appliquée sur la robe du réacteur pour prévenir les opérateurs encas de dépassement du seuil de température. On peut utiliser la caméra infrarouge pour déterminerpériodiquement une cartographie des isothermes.

Acier au carbone

Ciment

réfractaire

Acier inox

Scallops

Diffuseur

Bouclier

Céramique

Céramique

Catalyseur

Tubecentral

Toilemétallique

D

M E Q 0

4 5 A


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3 - RÉACTEUR POUR MÉLANGES LIQUIDE ET GAZ

Le fluide réparti par le distributeur d'entrée tombe sur un plateau distributeur percé de trous etsupportant des cheminées par où passent/s’engagent les gaz. Le liquide tombe en pluie fine sur le

catalyseur. Des paniers permettent de répartir la charge et évitent ou retardent les problèmes debouchages par les dépôts divers.

Certains réacteurs comprennent 2 lits de catalyseurs et sont équipés d'un quench dans la partiemédiane.

Distributeur entrée

Liquide

Gaz

Orifice de vidange

Collecteur sortie

Billes d'alumine

3/4"

Billes d'alumine

3/4"

Billes d'alumine

1/4"

Paniers

Lit catalytique

Passage cannethermométrique

Plateau distributeur

Liquide

Cheminée

Acier au carbone

150

150

45!

LT

LT

D

M E Q 0

1 5 B

Plaquage 18 Cr 8 Ni

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