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A Shell-and-tube heat exchanger enhancement that increases Energy Efficiency in the Oil, Gas, Power & Chemical Process Sectors

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Minimiser l’un des plus gros problèmes des raffineries en optant pour la prévention plutôt que l’intervention

Les ingénieurs se sont heurtés pendant des années au problème de l’encrassement des échangeurs de chaleur dans la phase de préchauffage du fractionnement du pétrole brut. Des chercheurs ont découvert que le problème se situait en amont et l’ont résolu grâce à une technologie permettant de modifier la conception des échangeurs de chaleur ou d’en concevoir de nouveaux.

Technologies industrielles

La demande mondiale de pétrole devrait atteindre 100,6 millions de barils par jour d’ici fin 2022, tandis que la capacité de raffinage augmentera chaque année au cours des cinq prochaines années. Les raffineries ont donc tout intérêt à résoudre le problème de l’encrassement des échangeurs de chaleur, responsable d’une énorme consommation d’énergie, de nombreuses émissions et d’un manque à gagner de plusieurs milliards de dollars. Le projet FlowEnhancer, financé par l’UE, a mis au point Flow Optimiser (littéralement: optimiseur de flux), un modulateur de débit à l’entrée des échangeurs de chaleur tubulaires qui peut être installé ultérieurement ou intégré à l’entrée des nouveaux échangeurs de chaleur. Il distribue le flux de manière plus uniforme sur les tubes de l’échangeur, réduisant ainsi les «points chauds» d’encrassement dans l’échangeur et améliorant considérablement l’efficacité de l’échangeur de chaleur.

Le train de préchauffage: un pari sur l’avenir

Les raffineries de pétrole «raffinent» le pétrole brut en produits de plus grande valeur grâce à un processus en trois étapes qui commence par le fractionnement du brut en molécules plus petites. Afin de réaliser un fractionnement adéquat, le flux de brut doit être introduit dans la colonne de distillation à une température très élevée. Généralement, un train de préchauffage du brut précède l’étape de fractionnement et utilise les échangeurs de chaleur et la chaleur résiduelle des autres flux de traitement pour réduire la consommation d’énergie. Les coûts totaux liés à l’encrassement des échangeurs de chaleur et des chaudières dans les principaux pays industrialisés sont estimés à plus de 4,4 milliards de dollars par an. La modélisation basée sur la mécanique des fluides numérique (MFN) effectuée dans le cadre du précédent projet CLEANEX, financé par le FP7, a révélé, contre toute attente, que la source du problème était l’admission. FlowEnhancer a réduit la charge de calcul des analyses et s’est concentré sur les zones concernées, avec des résultats remarquables. Selon Derek Sumsion, directeur de la R&D chez Tube Tech International, «une modélisation MFN étendue à haute résolution, bien au-delà de ce qui était prévu pour FlowEnhancer, a permis de concevoir un insert pour l’admission qui répartit uniformément le flux entrant de différentes compositions de pétrole brut dans une multitude d’échangeurs avec différents volumes de tubes, minimisant ainsi l’encrassement».

Le premier du genre

La conception des échangeurs de chaleur a peu évolué au cours des quatre dernières décennies. Les solutions anti-encrassement, lorsqu’elles sont employées, sont situées dans les échangeurs de chaleur, mais le problème se situe en amont, comme l’a démontré FlowEnhancer. L’optimiseur de flux réduit les turbulences tout en permettant une augmentation de 10 % de la vitesse du flux d’entrée dans le tube et une augmentation correspondante de 7 °C de la température de sortie. Cela augmente l’efficacité de l’échangeur, et réduit considérablement la consommation d’énergie, les émissions globales de CO2 et les coûts tout en prolongeant la durée de vie de la structure. Les économies potentielles pour les raffineries pourraient atteindre jusqu’à 1,8 million d’euros par an et permettre un retour sur investissement de 9:1 par échangeur de chaleur. Derek Sumsion développe les résultats, prévus et imprévus: «Outre la découverte de la distribution non uniforme du flux d’entrée, les tests effectués chez Shell India, conçus à la lumière des défis liés à la pandémie, ont permis d’étayer les analyses MFN approfondies à l’origine du concept d’optimiseur de flux, d’une nouvelle technologie de pulsation destinée à réduire l’encrassement à des vitesses plus faibles, et potentiellement d’une nouvelle conception très attendue des échangeurs de chaleur. Nous envisageons de nombreux nouveaux projets pour l’avenir.» Le nouveau Flow Optimiser sera installé sur un site Shell en octobre 2021 afin de fournir des informations sur le terrain concernant l’encrassement. De son côté, l’équipe de direction lève des capitaux et assure la liaison avec les clients pour accélérer la croissance et l’adoption de Flow Optimiser. L’optimiseur de flux destiné au train de préchauffage est déjà sur de bon rails.

Mots‑clés

FlowEnhancer, échangeur de chaleur, encrassement, Flow Optimiser, fractionnement, train de préchauffage, pétrole brut, raffineries, MFN, mécanique des fluides numérique

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