PROCESSUS
Pirobloc offre des solutions personnalisées et efficaces pour le chauffage des réacteurs chimiques dans une grande variété d’industries, parmi lesquelles:
TRANSFERT DE CHALEUR DANS LES PROCESSUS CHIMIQUES
Le secteur Chimique et Pharmaceutique comprend la fabrication de produits de synthèse chimique tels que les produits pharmaceutiques (médicaments) et oléochimiques (aliments, cosmétiques) ou liés à la fabrication de polymères (caoutchouc, colle, peinture, etc.), ainsi que les films laminés, feuilles et papiers.
Le transfert de chaleur d’un fluide à un autre est un élément essentiel de tous les processus chimiques. Soit pour chauffer des composants avant de commencer une réaction pour obtenir un produit final, soit pour refroidir une substance chimique après sa formation lors d’une réaction exothermique.
Il est essentiel de maximiser l’efficacité des systèmes de transfert de chaleur pour les procédés chimiques car l’étape de transfert de chaleur dans de nombreux procédés chimiques consomme beaucoup d’énergie. Ne pas se concentrer sur l’efficacité peut donc augmenter inutilement les coûts de fabrication.
Comprendre comment concevoir un système de transfert de chaleur efficace est essentiel pour la rentabilité de la fabrication de produits chimiques. Cela implique la connaissance des variables clés du processus de production, telles que:
- Les caractéristiques physiques et la composition chimique des fluides.
- Flux de processus.
- Températures et pressions du système.
- Perte de charge admissible.
La corrosivité de certains produits chimiques est un autre aspect à prendre en compte puisque l’équipement devra être construit avec des alliages résistant à la corrosion. Ceci est particulièrement pertinent pour des éléments tels que l’échangeur de chaleur.
FONCTIONNEMENT DU SYSTÈME
Bien que le système de fluide thermique puisse être utilisé pour fournir de la chaleur à de nombreuses étapes du processus de production, c’est dans l’étape de distillation qu’il est particulièrement important pour garantir que les résultats optimaux de qualité du produit sont atteints.
Pendant la phase de distillation, la température est utilisée pour séparer les nombreux éléments d’un mélange préparé. À cet égard, la chaudière à fluide thermique offre un meilleur contrôle, ce qui permet une gestion plus précise de la température du processus, ainsi que le chauffage et le refroidissement à l’aide d’un seul fluide.
Les systèmes qui travaillent en continu et ceux qui le font par lots sont courants dans ce secteur. Les opérations par lots, ou en discontinu, peuvent impliquer de grandes variations de la charge thermique, depuis une forte demande initiale jusqu’au maintien de la température de fin de lot.
Chaque consommateur est équipé d’une vanne de régulation à trois voies qui permet un contrôle automatique très précis de la température. Il suffit de sélectionner la température de consigne sur le panneau opérateur pour que le système régule automatiquement et proportionnellement le débit d’huile thermique entrant dans le consommateur afin d’atteindre la température souhaitée.
La vanne est équipée d’un servomoteur, qui peut être électrique ou pneumatique, qui règle la position de l’obturateur, permettant le passage à la voie directe ou à celle de retour de manière proportionnelle. De cette façon, la voie d’entrée de la vanne est complètement ouverte à tout moment, tandis que les voies directes et de retour sont inversement proportionnelles. Lorsque la voie directe est ouverte à 70 %, la voie de retour est ouverte à 30 %, le même pourcentage qui retourne directement à la chaudière. Ce système simple permet d’obtenir une précision de régulation de la température de +/- 1 ºC ou supérieure.
Dans les circuits comportant plusieurs consommateurs à des températures différentes, un groupe secondaire est également assuré par une pompe de recirculation. Avec cet appareil, il est possible de travailler dans toute la gamme de températures, quelles que soient les différences entre les divers consommateurs de l’installation.
Comme dans tous les circuits d’huile thermique, il y a un vase d’expansion qui recueille et absorbe la dilatation du fluide thermique sans le mettre sous pression. Ce réservoir est généralement relié au réservoir de collecte. Une pompe réversible associée au réservoir de collecte permet à la fois le remplissage et la vidange du circuit.
Le schéma de principe généralement suivi par ce type d’application est illustré ci-dessous.
CHAUDIÈRES À FLUIDE THERMIQUE
Comme nous l’avons déjà mentionné, la principale application des chaudières à huile thermique dans les différents secteurs chimiques est le chauffage des réacteurs, qui s’effectue au moyen d’enceintes “demi-rondes”, doubles fonds de chauffage, chemises ou serpentins disposés à l’intérieur du réacteur.
Les réacteurs ne sont pas exclusifs de l’industrie chimique, puisqu’ils sont également utilisés dans d’autres secteurs comme l’alimentation, mais c’est là que l’on trouve un large éventail d’applications : chimie, chimie fine, cosmétique, pharmacie, peintures, etc.
Dans ces applications, le chauffage d’autres consommateurs tels que les échangeurs de chaleur, les colonnes de distillation, les évaporateurs, les réservoirs, etc. est parfois nécessaire. Le chauffage de chaque consommateur peut être contrôlé individuellement par des vannes qui gèrent le flux d’huile thermique à travers l’unité.
Les chaudières à fluide thermique offrent des avantages clés dans l’industrie pharmaceutique en raison de leur capacité à fournir des températures comprises entre -100 °C et +400 °C, ce qui permet d’effectuer à la fois des opérations de chauffage et de refroidissement. Cette polyvalence est particulièrement importante dans le cas de réactions exothermiques ou pour le contrôle progressif des températures au cours du processus de production, pendant lequel le système contrôle avec précision toute variation de température dans le réacteur.
Un autre avantage est que les chaudières à huile thermique peuvent fonctionner à des températures élevées tout en maintenant de faibles pressions.
Les chaudières à huile thermique Pirobloc fonctionnent grâce à un brûleur qui chauffe par rayonnement le fluide thermique circulant dans le serpentin, ainsi que les dispositifs de chauffage des autres appareils. Plusieurs unités peuvent être chauffées avec une seule chaudière en connectant différentes dérivations d’huile thermique pour chaque consommateur. Le débit et la perte de charge de fluide thermique s’adaptent aux besoins de chaque consommateur et peuvent donc être configurés pour obtenir un débit correspondant aux exigences du processus.
En termes d’entretien et d’exploitation, les chaudières à fluide thermique sont plus faciles à gérer que d’autres systèmes, car les risques de corrosion et d’entartrage peuvent être évités par un simple entretien.
ÉCHANGEURS DE CHALEUR
Carcasse et tubes
Les échangeurs à carcasse et tubes sont le type d’équipement de transfert de chaleur le plus largement utilisé dans l’industrie du traitement chimique en raison de leur souplesse de conception et de leur capacité à traiter des fluides ayant des niveaux de température et de viscosité différents. Ils se composent de deux parties : la carcasse et les tubes.
Tous les composants côté tube doivent être résistants à la corrosion et compatibles avec un ou les deux fluides.
Une conception courante dans l’industrie du traitement de produits chimiques consiste en un échangeur à passage unique, ce qui signifie que les fluides ne traversent l’échangeur qu’une seule fois. Il existe de nombreux modèles d’échangeurs. Le modèle TEMA BEU à double tête est l’un des plus utilisés en raison de sa facilité de nettoyage. Cet échangeur possède un fond et une plaque à tubes fixe à chaque extrémité.
Le nombre et la longueur des tubes, ainsi que le diamètre de la carcasse seront déterminés par le besoin de transfert de chaleur. (Dans certains cas, il peut être nécessaire de restreindre la taille pour s’adapter à un espace défini dans une usine chimique). La conception et la taille réelles peuvent être déterminées par l’utilisateur final (entreprise chimique) ou recommandées par le fabricant après une analyse des exigences globales du système.
Plaques et cadres
Les échangeurs de chaleur à plaque et cadre sont utilisés dans certains secteurs de l’industrie du traitement chimique comme alternative aux échangeurs à carcasse et tubes. Les conceptions à plaque et cadre nécessitent moins d’espace qu’un échangeur à carcasse et tubes conçu pour un transfert de chaleur similaire, mais elles présentent également certaines limites en ce qui concerne les fluides de traitement et les conditions dans lesquelles elles peuvent être utilisées.
Les échangeurs de chaleur à plaques et cadres sont principalement disponibles avec des plaques en acier inoxydable ou en titane. Le transfert de chaleur est déterminé par les dimensions globales des plaques, ainsi que par le nombre de plaques dans l’échangeur.
Les échangeurs à plaques et cadres sont composés de deux plaques d’extrémité, qui sont conçues pour maintenir les plaques ensemble, et d’une série de plaques de transfert de chaleur entre les plaques d’extrémité. Des joints sont nécessaires pour séparer les deux fluides qui traversent le système au niveau de chacune des plaques internes.
L’utilisation d’échangeurs à plaque et cadre est limitée par la température et la pression que les joints peuvent supporter ; en général, il s’agit de moins de 185 °C (365 °F) ou 360 psi de pression. Ces systèmes sont également limités aux fluides qui contiennent peu ou pas de solides, car les canaux des plaques internes sont étroits et peuvent être facilement bouchés.
Les avantages offerts par les échangeurs à plaque et cadre concernent la possibilité pour un fabricant d’équipements expérimenté d’ajouter des plaques internes à tout moment pour augmenter le transfert de chaleur et la facilité générale de nettoyage de l’échangeur.
MATÉRIAUX DE CONSTRUCTION
Dans l’industrie du traitement chimique, de nombreux processus nécessitent des équipements fabriqués dans des matériaux hautement résistants à la corrosion.
Les matériaux de construction garantissent l’adéquation aux fluides de traitement.
Les alliages résistants à la corrosion couramment utilisés dans l’industrie du traitement chimique comprennent les aciers inoxydables austénitiques (série 300), les aciers inoxydables duplex, les alliages de nickel, le titane, le zirconium et le tantale. Chacun de ces métaux et alliages résiste à la corrosion de certains produits chimiques et peut être utilisé dans les usines chimiques pour une durée de vie prolongée.
Les matériaux de construction utilisés sont généralement déterminés par l’entreprise chimique, souvent après consultation d’un métallurgiste travaillant pour le fabricant ou un fournisseur de métaux. La connaissance de la corrosion et la compréhension des alliages et de leur disponibilité sont essentielles pour déterminer l’alliage à utiliser. L’objectif global est d’assurer un système rentable avec une longue durée de vie.
Pour déterminer l’alliage à utiliser, il est essentiel de s’assurer que tous les aspects de la chimie du fluide sont connus. Souvent, lorsque les entreprises modifient leurs processus, la corrosivité des fluides change et les alliages utilisés par le passé peuvent ne plus être aussi efficaces aujourd’hui. Le passage à un nouveau métal ou alliage peut être la solution la plus rentable et pourrait prolonger la durée de vie de l’équipement. C’est à ce stade qu’un métallurgiste ayant une solide expérience dans le travail avec des matériaux résistants à la corrosion est nécessaire pour déterminer quel métal ou alliage serait optimal.
