ÉTUDE DE CAS SUR LES RÉCHAUFFEURS INDUSTRIELS: INDUSTRIE DU PÉTROLE ET DU GAZ

À propos des réchauffeurs industriels

La révolution industrielle a largement contribué au développement de diverses industries. Cela inclut le secteur pétrolier et gazier. Les chauffages industriels permettent des activités dans l’industrie du pétrole et du gaz.

Ce document donne un aperçu des appareils de chauffage industriels, c’est-à-dire des appareils de chauffage par immersion. Les composants et les matériaux de l’appareil de chauffage par immersion font également partie du présent document de synthèse.

Réchauffeurs industriels électriques

Circulation HeaterL’intensité de la chaleur requise et ses éléments associés pertinents ont contribué aux besoins d’inventions pour l’exécution d’opérations industrielles. À cette fin, les industries utilisent divers équipements de traitement thermique pour leurs différents procédés.

Les thermoplongeurs électriques comprennent des composants résistifs électriques qui établissent une connexion avec une source d’alimentation afin de générer une capacité calorifique. Ces appareils de chauffage génèrent une quantité de chaleur suffisante pour diverses activités industrielles allant des secteurs de la fabrication du papier au secteur de l’approvisionnement en pétrole et en gaz.

Les appareils de chauffage industriels peuvent utiliser différents types de sources d’énergie. Les appareils de chauffage industriels électriques sont le type le plus courant en raison de préoccupations environnementales et de problèmes de coûts.

Dans l’industrie pétrolière et gazière, les appareils de chauffage sont couramment utilisés pour la protection contre le gel. Ils maintiennent les liquides et les gaz au-dessus du point de congélation dans des conditions froides et difficiles. Les appareils de chauffage les plus couramment utilisés dans l’industrie du pétrole et du gaz sont les thermoplongeurs et les appareils de chauffage à circulation.

Cet article donne un aperçu des utilisations des appareils de chauffage industriels utilisés dans l’industrie du pétrole et du gaz, en particulier des appareils de chauffage par immersion. Il approfondit la recherche sur les secteurs industriels, où les thermoplongeurs sont les plus utilisés. La récente flambée des prix du pétrole a également contribué à la nécessité croissante de nouvelles avancées technologiques.

Contexte de l’industrie pétrolière et des réchauffeurs industriels:

Les produits pétroliers et les industries ont toujours fait partie intégrante de la civilisation humaine. Le pétrole est devenu une ressource primaire au cours du siècle dernier et a joué un rôle important dans le succès de pays développés tel que les États-Unis, le Royaume-Uni et l’Australie.

Les pays producteurs de pétrole du Moyen-Orient sont également riches en matières premières et en procédés d’extraction. Diverses opérations d’extraction nécessitent l’utilisation d’appareils de chauffage. La distillation fractionnée du pétrole brut le transforme en produits pétroliers précieux. Le procédé utilise des thermoplongeurs pour maintenir la viscosité correcte des fluides à des fins opérationnelles et pour le transport de produits pétroliers et gaziers dans des environnements froids tels que ceux en Russie et au Canada.

Les premiers systèmes de chauffages industriels étaient basés sur le processus de combustion et nécessitaient un combustible sous forme de charbon ou de combustible fossile. Cependant, la hausse du prix des produits combustibles et les préoccupations environnementales ont contribué à l’utilisation moins fréquente des appareils de chauffage industriels à base de carburant (Hasanuzzaman, et al. 2012).

Cela a abouti à la mise au point de chauffages industriels à base d’électricité. Les appareils de chauffage électriques convertissent l’énergie électrique en énergie thermique afin de transférer la chaleur par conduction, convection et mode de rayonnement (Bergman, 2011). Les appareils de chauffage électriques ont rapidement remplacé les appareils de chauffage à combustible dans les pays où l’électricité était bon marché. La question des coûts a également contribué à remplacer les appareils de chauffage domestiques à combustible par des appareils de chauffage électriques. Ils sont rentables, économes et plus sécuritaires à utiliser.

Thermoplongeurs dans l’industrie du pétrole et du gaz

Les thermoplongeurs sont les appareils de chauffage les plus courants dans l’industrie de l’extraction et de la distribution de pétrole et de gaz. Les thermoplongeurs électriques sont des appareils qui sont généralement immergés dans le liquide à chauffer pour remplir leur fonction.

Les thermoplongeurs sont généralement fixés aux récipients ou aux réservoirs contenant du liquide. Dans ce cas, le pétrole et les autres produits pétroliers sont chauffés de trois façons possibles:

  • Immersion sur le côté avec des thermoplongeurs amovibles
  • À bride avec des thermoplongeurs à brides
  • Avec des thermoplongeurs à bouchons filetés

Les thermoplongeurs dans l’industrie chimique

Transport HeaterLes thermoplongeurs sont également utilisés dans d’autres industries telles que l’industrie chimique. Cette industrie synthétise et traite des produits chimiques corrosifs.

Les thermoplongeurs utilisent le concept de résistivité électrique pour chauffer le matériau. La résistance offerte par le matériau produit de l’énergie thermique qui est nécessaire pour catalyser les activités industrielles. Les autres composants contenus dans un thermoplongeur comprennent:

  • Des boîtiers pour loger l’élément chauffant
  • Des thermostats pour mesurer la température

Composants des réchauffeurs par immersion industrielle

L’élément chauffant est en alliage nickel-chrome et est plus communément appelé fil nichrome. Il utilise des métaux réfractaires tels que:

  • Tungstène
  • Molybdène
  • Tantale

Ceux-ci sont enfermés dans une gaine tubulaire en acier inoxydable ou en titane en raison de ses propriétés de résistance à la corrosion. L’oxyde de magnésium est un isolant électrique, mais le matériau thermiquement conducteur sert de charge entre les éléments chauffants et le boîtier.

La composition du matériau dans les éléments chauffants peut être interchangeable. La variation dépend des utilisations souhaitées. Pour les industries du pétrole et du gaz, le boîtier de la gaine tubulaire est composé d’aciers faiblement alliés à haute résistance, tels que l’acier inoxydable 304L et l’acier inoxydable 316L.

Il est préférable de consulter la fiche de données de sécurité avant de choisir le matériau de la gaine et du produit chimique chauffé.

Les avantages des thermoplongeurs pour les industries pétrolières et gazières à la pointe de la technologie sont les suivants:

  • Chauffage indirect pour maintenir la viscosité correcte du produit pétrolier
  • Remplacement et entretien faciles
  • Solution économique pour traiter les utilisations de chauffage
  • Protection de l’environnement en évitant les appareils de chauffage industriels à base de combustible

Dans l’industrie du gaz naturel, ces appareils de chauffage sont également utilisés pour augmenter l’énergie cinétique du gaz. La chaleur augmente la pression du gaz, permettant ainsi son transport et son traitement.

La conception de base d’un thermoplongeur utilisé dans l’industrie du pétrole et du gaz est décrite ci-dessous:

Immersion Heater

Figure 1 A simplified design of an immersion heater

Le matériau de la gaine est indiqué dans la figure ci-dessous:Heater Sheath Material

Assemblage d’un thermoplongeur

L’assemblage complet du thermoplongeur est réduit en taille par un processus de mise en forme et de formage mécanique. Par exemple, le pliage induit une contrainte supplémentaire dans le matériau (Cooper, 2015). Cette contrainte supplémentaire réduit la résistance des composants. Par conséquent, ils sont recuits pour réduire les contraintes de températures dans le matériau.

Le processus de pliage et de recuit permet aux fabricants de concevoir des thermoplongeurs sur mesure. Ceux-ci peuvent fabriquer de nombreuses formes et tailles qui ont élargi leur champ d’application.

Densité de watts

La densité en watts est un facteur important dans la fabrication d’appareils de chauffage. C’est crucial lors de la mise au point de thermoplongeurs pour une utilisation spécifique. Le liquide à base d’huile prend plus de temps que le liquide à base d’eau pour gagner de la chaleur (Yane et al., 1999).

L’élément chauffant pour liquide à base d’eau est moins efficace dans un environnement pétrolier. La densité en watts de l’élément chauffant dépend de la tension appliquée, de la surface et de la géométrie de l’élément chauffant.

La densité en watts recommandée pour les utilisations dans l’huile est de 20 watts par pouce carré. Cependant, la densité en watts est susceptible de changer en fonction du procédé à chauffer (Cooper, 2015). Si la densité en watts sélectionnée est supérieure à la densité en watts requise, cet effet indésirable comprend la carbonisation et la surchauffe qui peuvent endommager l’élément chauffant et le matériau à chauffer.

La surface des éléments tubulaires de taille standard est indiquée dans la figure ci-dessous:

Tubular Element Surface Area

Figure 3 Surface area of standard tubular elements

Les formes les plus courantes des éléments de chauffages tubulaires sont triangulaires, ovales et plates. Le choix de la forme appropriée pour la gaine de chauffage tubulaire est un processus compliqué. La forme facilitant le transfert de chaleur élevé doit s’inscrire dans la gaine tubulaire. La forme de la gaine doit donc tenir compte à la fois du transfert de chaleur et de la taille de la gaine tubulaire.

Les câbles attachés à l’appareil de chauffage sont flexibles pour une manipulation facile. L’extrémité extérieure du câble en contact direct avec le liquide est recouverte d’un matériau polymère. Une option populaire est le Poly Tetra Fluoro Ethylene (PTFE). Le PTFE offre une protection exceptionnelle contre la corrosion par les produits chimiques et pétroliers.

Types de thermoplongeurs

Trois types de thermoplongeurs sont utilisés dans l’industrie du pétrole et du gaz. Ceux-ci incluent:

  • Thermoplongeurs latéraux ou amovibles
  • Thermoplongeurs à bride
  • Thermoplongeurs à bouchons filetés

Les thermoplongeurs sont choisis en fonction de leur utilisation et de leur emplacement sur le réservoir ou à l’intérieur de celui-ci.

Thermoplongeurs latéraux ou amovibles

Les thermoplongeurs latéraux ou amovibles utilisent les mêmes éléments chauffants que ceux décrits ci-dessus pour chauffer le fluide dans le réservoir. Ce type de thermoplongeur, comme son nom l’indique, est situé sur le côté d’un réservoir.

Selon certaines utilisations, des aciers aux alliages de haute qualité tels que les aciers inoxydables, le titane et des matériaux résistants à la corrosion ou passifs sont utilisés pour des réservoirs chauffés avec un thermoplongeur amovible.

OTS Immersion Heater

Figure 4 over the side immersion heater equipment

Thermoplongeurs à bride:

Les thermoplongeurs à bride sont des éléments chauffants tubulaires minces soudés ou brasés sur des brides. Qu’ils soient soudés ou brasés dépend du métal de la bride. Le thermoplongeur à bride génère des transferts de chaleur par convection. De cette façon, il maintient la température de l’huile selon la plage souhaitée.

Ces appareils de chauffage sont le type le plus courant pour chauffer le liquide dans de grands réservoirs et des appareils sous pression. L’élément chauffant est raccordé au niveau de la bride pour résister à la pression élevée exercée par le liquide.

Flanged Heater

Figure 5 Flange immersion heater

Thermoplongeurs à bouchon filetés:

Les thermoplongeurs à bouchons filetés sont constitués d’un mince élément chauffant tubulaire soudé au bouchon fileté. Ces appareils de chauffage sont normalement attachés comme une vis. Ils sont généralement utilisés pour les applications de chauffage de l’eau et pour la protection contre le gel.

Les thermoplongeurs à bouchons filetés sont développés selon une large gamme de tailles, de consommation d’énergie, de matériaux et d’autres caractéristiques. Leurs personnalisations les rendent idéales pour diverses utilisations dans l’industrie du pétrole et du gaz.

Threaded Heater

Figure 6 threaded immersion heater

Les villes et les États producteurs de pétrole utilisent surtout des thermoplongeurs. Selon les É.-U. Energy Information Administration, les 10 principaux sites de production de pétrole situés aux États-Unis se trouvent au Texas, en Alaska, au Colorado et en Californie (Source: US Energy Information Administration, 2015).

Avancements technologiques des thermoplongeurs contemporains:

Les appareils de chauffage industriels traditionnels à base de fil à résistance présentent toutefois quelques inconvénients. Si les conditions ne sont pas idéales pour faire fonctionner les systèmes de chauffage de procédés ils peuvent s’endommager. La faible dissipation de chaleur peut provoquer de graves dommages aux éléments chauffants et à l’ensemble du thermoplongeur. Dans certains cas, cela peut entraîner des frais supplémentaires d’entretien et de réparation.

Cette question revêt une grande importance et a contribué à faire progresser la technologie. Les résistances chauffantes traditionnelles à fil résistif sont remplacées par des fils résistifs avec coefficient de température positive PTC.

Le coefficient de température positive (PTC) est capable de produire une température contrôlée. Cela évite des dommages fréquents à l’ensemble du système de chauffage. En plus d’éviter les réactions inutiles dans le produit chimique en raison d’un chauffage mal contrôlé.

Les fils résistifs à coefficient de température positive PTC sont fabriqués à partir de titanate de baryum (un matériau piézoélectrique) qui est dopé avec des impuretés pentavalentes ou trivalentes pour obtenir les caractéristiques souhaitées à température contrôlée (Base et Sanislo, 2010). Les thermoplongeurs qui utilisent des fils résistifs à coefficient de température positive PTC ont amélioré la sécurité associée aux équipements de chauffage. Ils réduisent le risque d’événements dangereux ainsi que les coûts de réparation et d’entretien.

Conclusion

Ce document de recherche porte sur les appareils de chauffage industriels utilisés dans l’industrie du pétrole et du gaz, avec une attention particulière pour les appareils de chauffage par immersion ou thermoplongeurs. Les composants des thermoplongeurs et leurs matériaux sont brièvement décrits dans le présent document de synthèse.

Il a été observé que les progrès des procédés de fabrication, de l’électronique et des sciences des matériaux ont permis de réduire les limites des thermoplongeurs traditionnels.

L’utilisation d’éléments chauffants autorégulant au lieu d’éléments résistifs a amélioré le contrôle du processus et les problèmes de sécurité associés aux équipements de traitement industriels.

Les avancées dans le domaine de la sélection et de la synthèse de l’électronique et des matériaux amélioreront encore les caractéristiques de conception et de fonctionnement des thermoplongeurs pouvant résister aux produits chimiques hautement corrosifs et réactifs.

Références

Base, H. J., & Sanislo, D. L. (2010). U.S. Patent Application No. 12/370,126.

Bergman, T. L. (2011). Introduction to heat transfer. John Wiley & Sons. New Jersey.

Cooper, P. V. (2015). U.S. Patent No. 9,108,244. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.

Hasanuzzaman, M., Rahim, N. A., Hosenuzzaman, M., Saidur, R., Mahbubul, I. M., and Rashid, M. M. (2012). Energy savings in the combustion based process heating in industrial sector. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(7), pp. 4527-4536.

Yane, D. J., & Base, H. J. (1999). U.S. Patent No. 5,875,283. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.