Modélisation du couplage thermique entre la combustion et l'encrassement des tubes dans un four de raffinerie - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2012

Modelisation of the coupling between combustion and fouling inside furnace pipes

Modélisation du couplage thermique entre la combustion et l'encrassement des tubes dans un four de raffinerie

Résumé

In industrial refinery furnaces, the efficiency of the thermal transfer to heat crude oil before distillation is often altered by coke deposition inside the process pipes. This leads to increased production and maintenance costs, and requires better understanding and control. Crude oil fouling is a chemical reaction that is, at first order, thermally controlled. In such large furnaces, the predominant heat transfer process is thermal radiation by the hot combustion products, which directly heats the pipes. As radiation fluxes depend on temperature differences, the pipe surface temperature also plays an important role and needs to be predicted with sufficient accuracy. This temperature results from the energy balance between thermal radiation and conduction in the solid material of the pipe, meaning that the thermal behavior of the whole system is a coupled radiation-conduction problem. A comprehensive methodology for coupling is exposed and validated as follows. In this work, the flame is described by an analytical model axisymmétrique with complex chemistry. Coupling with conduction in the pipes is achieved by using a discrete ordinate method (DOM) together with narrow band spectral model for combustion gases radiation. Energy balance confirmed that heat transfer is dominated by thermal radiation. Good agreement with available measurements on a real furnace shows that this approach is able to predict the thermal radiation. Next step, pipe temperature calculation is coupled with a law of fouling. A simple chemical model is used. It is validated using a laboratory experiment. The comparison between the temperatures obtained with the simulation and those measured by thermal probes shows that the simulation is able to capture the evolution of the temperature in the tube accurately. Finally, the whole system, including radiation,conduction and deposition, is coupled. Results are compared to the real furnace and show relatively good agreement in terms of external skin pipe temperature prediction.
Dans les fours de raffinerie, l'efficacité du transfert énergétique vers le pétrole brut avant sa distillation est altérée par la formation d'un composé carboné dans les tubes, appelé coke. Cela conduit à l'augmentation des coûts de production et de maintenance, et exige une compréhension accrue ainsi qu'un meilleur contrôle de ce phénomène. Cet encrassement est de type chimique et induit par les fortes températures. Dans les fours de cette dimension, le transfert de chaleur s'effectue principalement par rayonnement des produits de combustion. Le flux radiatif net sur les surfaces d'échange des tubes dépend de la température de toutes les surfaces solides et a donc besoin d'être prédit avec une précision suffisante. La température sur les tubes est le résultat d'un équilibre entre le rayonnement thermique et la conduction. Le comportement thermique de l'ensemble du système est un problème de couplage entre le rayonnement et la conduction. Une méthodologie complète de couplage est exposée et validée de la manière suivante. Dans ce problème, la flamme est décrite par un modèle analytique axisymétrique avec chimie complexe. Le couplage avec la conduction dans les tubes est réalisé par l'utilisation d'une méthode aux ordonnées discrètes (DOM) avec un modèle spectral de type bandes étroites pour le rayonnement des gaz de combustion. Un bilan énergétique confirme que les transferts de chaleur sont dominés par le rayonnement thermique. Un bon accord avec les mesures disponibles sur un four réel montre que l'approche proposée est capable de prédire le rayonnement thermique. L'étape suivante consiste à coupler le calcul de la température du tube à une loi d'encrassement. Un modèle chimique simple est utilisé. Il est validé à l'aide d'une expérience de laboratoire. La comparaison entre les températures obtenues avec la simulation et celles mesurées par des sondes thermiques montre que la simulation est capable de capturer l'évolution de la température dans le tube avec précision. Enfin, un modèle d'encrassement pour la configuration réelle est trouvé puis appliqué dans une simulation couplée complète. Cette simulation montre un bon accord entre l'évolution de la température sur site et dans la simulation. Une analyse plus poussée est réalisée sur les profils de température, de flux radiatif et de dépôt de coke et montre l'impact de ce dépôt sur l'installation.
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Dates et versions

tel-04281848 , version 1 (02-09-2012)
tel-04281848 , version 2 (13-11-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04281848 , version 1

Citer

Thomas Pedot. Modélisation du couplage thermique entre la combustion et l'encrassement des tubes dans un four de raffinerie. Thermique [physics.class-ph]. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04281848v1⟩
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