Vapocraqueur : l’optimiser au maximum

vapocraquage guichon valves

“Vapocraquage : la première étape pour produire la plus simple oléfine”

L’éthylène est une des oléfines les plus simples et présent partout autour de nous. Il est utilisé comme produit de base dans le cadre de nombreuses applications : Plastiques, peintures, solvants, emballages, cosmétiques…  La demande mondiale en éthylène dépasse à présent les 140 millions de tonnes par an et continue à augmenter de 4-5% chaque année !

Retour au début du 20ème siècle où les ingénieurs de l’industrie pétrolière et les scientifiques firent breveter le premier procédé de craquage thermique appelé le “procédé Burton”. Il s’agit du premier procédé à avoir utilisé la distillation destructive de pétrole brut sous pression et température, à travers une tour de fractionnement (colonne de distillation). De ce fait, la production de carburant doubla et les premières coupes d’éthylène furent produites.

Dans les années 30, la première unité de production d’éthylène fut construite.  A cette époque, l’éthylène était séparé des gaz de cokerie. Quelques années après la mise en service de cette usine, le premier vapocraqueur fut construit près de Baton-Rouge aux Etats-Unis. La production d’éthylène commença à remplacer l’acétylène comme matière première de synthèse.

De nos jours, le vapocraquage est la technologie prédominante de production d’éthylène. La production mondiale totale excède les 150 millions de tonnes par an.

L’objectif principal : chauffer un mélange d’hydrocarbures (naphta ou gaz) avec de la vapeur dans un four pour craquer les molécules d’hydrocarbure (= décomposer ces molécules en de plus petites).

Si le vapocraqueur est alimenté par de l’éthane, la réaction chimique sera la suivante :

ethane formule chimique EN Guichon valves

Etant donné que l’alimentation n’est jamais du gaz pur (éthane) ou peut être liquide (naphta), la réaction de craquage entraine la production d’autres gaz craqués et la formation de coke. Par conséquent, le vapocraqueur doit être nettoyé régulièrement pour assurer une performance optimale du procédé. Cette étape est appelée “Décokéfaction”.

La formation de coke et l’encrassement des équipements dans l’industrie de l’éthylène représente toujours un problème majeur de fonctionnement, particulièrement s’agissant des pompes et des vannes. Les producteurs aspirent sans cesse à réduire la formation de coke afin d’optimiser la durée globale de fonctionnement. L’amélioration de conception des équipements critiques est une des solutions visant à réduire les arrêts de production !

    “Lutter contre les particules de coke”

Les vannes les plus critiques d’un vapocraqueur sont :

  1. Les vannes de transfert (TLV) – installées entre la tête de four et la colonne principale.
  1. Les vannes de décokéfaction (DV) – installées sur la ligne spécifique de décoke. Une petite vanne de décokéfaction de sécurité (SDV) est parfois installée pour éviter toute surpression.

D’un point de vue process, ces vannes doivent répondre aux exigences suivantes :

* Exploitables sous haute température (400°C et même plus, en fonction de la matière première du vapocraqueur).

* Exigence d’absence totale de fuite (même après 5 ans de fonctionnement)

* Fonction double fermeture et purge (DBB) sur la ligne de transfert principale (TLV).

* Les matériaux doivent résister à la corrosion et aux piqûres causées par un condensat à pH faible.

* Le corps de la vanne doit résister au cyclage thermique.

* La ligne de transfert et les vannes de décokéfaction doivent être reliées et synchronisées.

ligne de production guichon valves

cokeDans les deux cas, le challenge technique repose principalement sur les particules de coke. L’effluent est un liquide multiphasique :  gaz, liquides et particules de coke.

Ces particules sont transportées par du flux principal et érodent beaucoup de composants sur le chemin qui les mènent à la colonne de distillation. Ces dernières se logent dans toutes les petites cavités et peuvent facilement se coller sur chaque composant métallique.

Pendant la phase de décokéfaction, on a constaté que les cokes peuvent tomber dans le corps de la vanne et s’accumuler dans les cavités du corps. Quelle que soit la technologie conventionnelle de la vanne : à disque unique, clapet classique, papillon (triple offset) … le point critique est au niveau de la position de fermeture totale de la vanne.

vanne pelle solution pour particules de coke guichon valves

Par conséquent, des particules de coke peuvent se coller sur les sièges des vannes. Cela entraine des couples de pointes, des fuites, ce qui nécessite beaucoup de temps pour y remédier lors de chaque cycle de décokéfaction ! Dans le pire des cas, cela peut même détruire le système d’actionnement, entrainant des surpressions de ligne, des incendies ou explosions.

    “Eviter l’encrassement des vannes est la clé de la performance”

Si vous souhaitez gagner du temps, de l’argent et sécuriser votre process, il est vivement conseillé de choisir la bonne technologie de vanne pour ces lignes.

Etant donné que cet encrassement de coke a toujours été problématique sur les vapocraqueurs, les experts de la robinetterie ont trouvé diverses solutions au fil du temps (vanne à simple coulissant avec siège métal/métal dans les années 70, puis vanne simple coulissant avec siège à ressort dans les années 80…etc.).

La conception actuelle est la vanne Double Discs Through Conduit Slide Gate Valve (DDTC) dotée d’un système de fermeture de sécurité.

La conception conventionnelle de la DDTC est dotée dispositif de balle entre les deux disques (cales entre les disques) qui génère néanmoins des problèmes de couple et l’érosion du siège. Si des particules de coke sont collées sur le siège de la vanne, le dispositif de balle va pousser les disques contre le siège avant que la vanne n’ait pu atteindre sa position de fermeture complète.

schéma solution conventionnelle guichon valves

Forts de plus de 45 ans d’expérience dans le domaine des applications de vapocraquage, les experts de Guichon Valves ont conçus une nouvelle technologie permettant d’améliorer le fonctionnement de la vanne et la performance globale du procédé.

La principale différence de conception : “les cales angulaires fixes”. Ces cales ne se trouvent pas dans le trajet du flux et empêchent tout blocage des disques avant qu’ils n’atteignent leur position correcte de fermeture. La charge complète/couple de l’actionneur est utilisée pour briser toute particule de coke sur les sièges et atteindre la position correcte/finale de fermeture.

Sur l’animation ci-dessous, le côté droit représente la conception conventionnelle tandis que côté gauche représente le système de fermeture Guichon.

Pendant la première étape du mouvement d’ouverture, les disques reculent via la pression du process afin de diminuer la friction entre les sièges et les disques sur toute la longueur de la course. L’injection de vapeur nettoie les sièges et les surfaces critiques pendant la course. Deux plaques de guidage sont installées dans le corps pour éviter toute infiltration de particules dans sa cavité.

En position ouverte, les bagues de substitution à ressort (non représentées dans l’animation ci-dessus) sont ajustées à l’alésage du corps (comme un tube droit) et le fluide traverse la vanne sans pénétrer dans le corps. Les surfaces des sièges sont totalement protégées.

Les doubles disques et les sièges installés sur cette vanne permettent de purger entre ces disques. Cela constitue un réel dispositif double fermeture et purge et la plupart des concédants (TECHNIP FMC, CB&I LUMMUS (Mc DERMOTT), LINDE, KBR, TOYO, SINOPEC…) ont coutume de conseiller une seule vanne sur la ligne principale de transfert plutôt que deux vannes en ligne.

schéma vannes de decoke guichon valves

Guichon Valves a conçu diverses solutions de vannes sur mesure installées sur des unités de vapocraquage :

“Les règles d’or – Bonnes pratiques à garder à l’esprit lors du choix de vannes critiques”

  1. Bien prendre garde à la rigidité du corps des vannes critiques. Utiliser des vannes dont la partie avant du corps est constituée d’épaisses plaques forgées pouvant absorber les déformations dues aux charges de tuyauterie.
  2. Utiliser des sièges métal/métal intégrés. Les sièges vissés engendrent des lignes de fuite supplémentaires et il est juste impossible de les démonter après 5 années de service. Les sièges intégrés sont plus fiables dans le cadre d’applications de gaz de craquage.
  3. Exiger un parfait confinement de fluide. C’est l’un des points les plus importants. Le but étant de d’empêcher les potentielles particules de coke d’entrer dans le corps de la vanne.
  4. Les sièges, disques et bagues de substitution doivent être au minima stellités.
  5. Toujours utiliser l’injection de vapeur, par bain de préférence pour nettoyer l’intérieur de la vanne et obtenir une isolation positive du corps.
  6. La garniture auto-ajustée protège les surfaces critiques et ne requiert pas de réglages.
  7. Utiliser une fermeture bidirectionnelle pour protéger le process en cas de reflux.

De nombreux autres dispositifs peuvent améliorer la performance de la vanne et la fiabilité, sécurité et rentabilité du process !

Rédigé par Rudy Repellin