Challenge
Lors de la production de diesel renouvelable (DR) et de carburant d’aviation durable (SAF), l’encrassement des échangeurs de chaleur représente un défi à multiples facettes découlant de divers facteurs, notamment l’accumulation de contaminants organiques et de dépôts inorganiques dus à la matière première difficile. La compréhension de ces mécanismes complexes est cruciale pour concevoir des stratégies d’atténuation efficaces.
Ce producteur de DR devait nettoyer les échangeurs en moyenne tous les 60 à 80 jours, représentant des pertes de production importantes à chaque arrêt de l’usine. Veolia a proposé de mener une enquête approfondie sur le problème et de mettre en place une solution qui réduirait l’encrassement et améliorerait la fiabilité et les performances des processus.
Solution
La matière première composite renouvelable traitée par l’échangeur comprenait un mélange de diverses matières premières, dont de l’huile de soja et de l’huile de maïs de distillerie (DCO), ainsi qu’un flux de recyclage. L’aliment composite présentait une consistance collante et semi-fluide et un aspect physique complexe dans les conditions ambiantes (image 1).
Dans un premier temps, Veolia a procédé à une caractérisation détaillée de l’alimentation composite utilisée dans le RDU et de ses composants afin d’identifier les paramètres clés susceptibles d’influencer l’encrassement des échangeurs de chaleur (tableau 1). L’huile de soja et le DCO présentaient un indice d’acide total (TAN) élevé, tandis que l’aliment composite présentait un TAN relativement faible (51 mg KOH/g). Cependant, la présence de carbonyles (68 mg/L) et l’indice modéré de brome (8 g Br/100 g) suggèrent un risque d’encrassement dû au dépôt de composés organiques et à la probabilité de réactions complexes telles que la polymérisation et l’oxydation. L’indice de brome plus élevé dans l’huile de soja par rapport à celui du DCO, ainsi que la teneur significativement élevée en carbonyle du DCO (trois fois celle de l’aliment composite), mettent en évidence les contributions individuelles de chaque source au potentiel d’encrassement de l’aliment composite. De plus, l’huile de soja présentait des niveaux plus élevés de solides et de métaux filtrables, en particulier de fer, par rapport à d’autres flux, ce qui indique son potentiel d’encrassement inorganique. Bien que les solides et les métaux filtrables dans l’alimentation composite ne soient pas exceptionnellement élevés, leur présence peut générer un effet catalytique sur les processus d’oxydation et de polymérisation.
Dans un second temps, Veolia a procédé à une analyse des dépôts. Les éléments prédominants trouvés dans le gisement comprenaient le carbone, l’hydrogène et l’oxygène, comme l’indique le tableau 3, ce qui suggère la présence de composés organiques et de groupes fonctionnels contenant de l’oxygène. De plus, le soufre, le phosphore, le calcium, le potassium, le sodium, le chlore et d’autres métaux étaient présents en plus petites quantités, allant de 0,1 % à 4 %. Il convient de noter que le soufre peut exister sous des formes organiques et inorganiques dans les processus de production de carburants renouvelables. La présence de ces éléments suggère une combinaison de contaminants organiques et de dépôts inorganiques contribuant à l’encrassement de l’échangeur de chaleur.
Une procédure d’essai de traitement a été élaborée pour évaluer l’efficacité de différents dispersants et inhibiteurs chimiques de polymérisation, désignés par les produits A, B et C, à l’aide d’un banc d’essai d’encrassement thermique. Cet appareil d’essai imite les conditions d’un échangeur de chaleur en faisant passer l’échantillon à travers un échangeur de chaleur tubulaire, où une tige chauffante sert d’élément chauffant. Le dépôt d’encrassement se produit sur la tige chauffante, réduisant le transfert de chaleur mesuré par une baisse progressive de la température du fluide de sortie (∆T). L’efficacité de l’anti-encrassement est déterminée en faisant la moyenne des baisses de température de sortie sur une période donnée et en exprimant le pourcentage de réduction de l’encrassement par rapport aux conditions non traitées.
L'image 2 montre une accumulation progressive d’encrassement et une efficacité réduite du transfert de chaleur des différents échantillons traités et non traités. Le produit A a systématiquement montré la plus faible augmentation de ∆T parmi les échantillons traités, avec une réduction moyenne de 75 % de l’encrassement.
Résultat
Veolia a commercialisé le produit A dans le cadre de sa gamme de produits Thermoflo* BIO afin qu’il puisse être testé en ligne à la raffinerie. Thermoflo BIO sont des produits spécialisés pour le traitement des biocarburants. Dans les semaines et les mois suivants, des améliorations notables ont été observées dans les performances de l’échangeur de chaleur. Le RDU a fonctionné pendant plus de 340 jours sans aucun arrêt lié à l’encrassement de l’échangeur, là où le fonctionnement précédent nécessitait des arrêts pour réaliser les nettoyages tous les 30 à 80 jours. Bien qu’il y ait eu un arrêt pendant la période d’essai, comme le montre l'image 3, il se devait à une activité de maintenance sans rapport.
En évitant les fermetures trimestrielles sur une période de 12 mois, l’amélioration de la productivité s’est traduite par des revenus supplémentaires, compris entre 22 et 30 millions de dollars. De plus, l’élimination de chaque nettoyage d’échangeur a permis au producteur d’économiser environ 40 000 $ en coûts de maintenance.
