vapeur dans la colonne
3. Mesures à effectuer et validation expérimentale
3.3. Exploitation des mesures
Un code de calcul a été développé permettant de déduire, à partir des caractéristiques des mélanges en cuve et en tête de l’échangeur (pressions, températures, débits et compositions molaires), les paramètres suivants :
coefficients de transferts de masse ; coefficients de transfert de chaleur ;
profil des échanges de chaleur le long de la colonne et quantité de chaleur totale échangée ;
profil des débits et des compositions molaires des écoulements aux deux niveaux de pression.
Ayant les caractéristiques des mélanges aux entrées et sorties de l’échangeur, une première étape d’initialisation suppose des profils de variation linéaire des paramètres pris en compte (débits, compositions molaires et pressions). Les profils de pressions et de compositions molaires sont utilisés pour calculer les profils des températures de saturation liquide aux deux niveaux de pression. Pour l’exploitation des mesures expérimentales, les pertes de pression sont considérées linéaires le long de l’échangeur.
Les caractéristiques des écoulements ainsi trouvées, permettent de calculer les coefficients de transfert de chaleur et les coefficients de transfert de masse dans le liquide et dans la vapeur
Chapitre 4 : Conception d’une colonne pilote pour validation 143 aux deux niveaux de pression, par les corrélations présentées au chapitre 2. L’échangeur peut donc être simulé, pour ressortir un nouveau profil de débits et de compositions molaires des mélanges.
Les débits de liquide évaporé à basse pression et de vapeur condensée à haute pression, avec leurs compositions molaires respectives aux entrées de l’échangeur, permettent d’estimer la quantité de chaleur totale échangée le long de l’échangeur (presque égale au produit de ces débits par les chaleurs latentes de vaporisation ou de condensation respectives). Cette quantité est comparée à celle calculée par la simulation numérique et les corrections adéquates sont appliquées sur les coefficients de transferts de chaleur.
Par analogie aux transferts de chaleur, des corrections peuvent être appliquées sur les coefficients de transferts de masse dans le but d’atteindre les valeurs des compositions molaires mesurées aux sorties de l’échangeur. Les calculs sont alors répétés avec les nouveaux profils des coefficients de transferts de masse et de chaleur.
Par itérations successives, les profils des coefficients de transferts donnant les valeurs mesurées aux sorties de l’échangeur sont calculés.
Conclusions et perspectives
Dans ce chapitre, une colonne pilote tubes-calandre a été conçue dans le but de valider le concept de distillation diabatique de l’air cryogénique dans un échangeur tubes-calandre. Les conditions géométriques et opératoires imposées par l’intégration dans une installation industrielle de distillation des gaz de l’air sont prises en compte dans le dimensionnement. La colonne pilote comprend 127 tubes de diamètre extérieur 25 mm et une calandre de diamètre extérieur de 423 mm. Les mesures expérimentales permettront de caractériser les mélanges aux entrées et aux sorties de l’échangeur aux deux niveaux de pression. A partir de ces mesures, un code de calcul permet de ressortir les coefficients de transferts de masse et de chaleur ainsi que le profil des quantités de chaleur échangées le long de la colonne.
La validation sera effectuée après réalisation et installation de l’échangeur par la CIAT et la société AIR LIQUIDE, partenaires dans le projet dans le cadre duquel a été réalisée cette thèse.
Conclusions générales et perspectives 145
Conclusions générales et perspectives
L’objectif de cette thèse est de concevoir une colonne de distillation à échanges de chaleur intégrés pour la production d’oxygène de moyenne pureté et à basse consommation énergétique dédiée aux procédés d’oxycombustion. Dans ce but, un échangeur du type tubes- calandre permet de coupler deux colonnes, à deux niveaux de pression, l’une constituée par les tubes, l’autre par la calandre, avec des surfaces d’échanges de chaleur maximales entre elles. Ces échanges de chaleur internes, des mélanges cryogéniques de l’air à haute pression vers les mélanges cryogéniques à basse pression, permettent de réduire les consommations énergétiques du procédé en éliminant les échangeurs installés conventionnellement en cuve et en tête des colonnes de distillation.
Une analyse exergétique permet de comparer les colonnes à échanges de chaleur intégrés, dites diabatiques, aux double-colonnes de distillation adiabatiques conventionnelles. Les paramètres opératoires et géométriques de trois types de colonnes, les colonnes simples adiabatiques, les colonnes adiabatiques doubles couplées par un échange de chaleur local entre elles et les colonnes diabatiques, couplées par un échange de chaleur global, sont optimisés pour minimiser les pertes exergétiques dans chacune d’elles. Ensuite, par comparaison des optimums de chaque type de colonne, des réductions de 23 % sont calculées sur les pertes exergétiques des colonnes, en passant d’une colonne conventionnelle de production d’oxygène qui est une colonne double adiabatique, à la colonne diabatique, objet d’étude de cette thèse.
Dans la colonne de distillation diabatique conçue sous forme d’un échangeur du type tubes- calandre, les conditions d’échanges couplés de masse et de chaleur sont modélisées : dans chaque colonne (tubes ou calandre), les transferts de masse entre les écoulements de liquide et de vapeur à contre-courant et entre les deux colonnes les transferts de chaleur du côté haute pression au côté basse pression. Le fonctionnement de la colonne est ainsi simulé pour les deux configurations possibles des niveaux de pression dans l’échangeur et la configuration où les mélanges à haute pression s’écoulent dans la calandre et ceux à basse pression dans les tubes est retenue pour ses avantages liés à une répartition plus facile des films de liquide condensé sur les surfaces externes des tubes et à une surface au sol plus faible.
Dans l’échangeur tubes-calandre ainsi conçu, différentes formes de mal distribution des fluides, aux échelles globale et locale, peuvent apparaître. A l’échelle globale, ces problèmes de mal distributions se résument par l’introduction des mélanges à basse pression dans les tubes (la vapeur en cuve et le liquide en tête) et l’introduction des mélanges à haute pression dans la calandre autour des tubes. A l’échelle locale, la mal distribution est celle des films liquides sur les parois intérieures et extérieures des tubes. L’étude de l’effet de ces formes de mal distribution sur le fonctionnement de la colonne de distillation montre une diminution de l’efficacité des colonnes, traduite par des valeurs des hauteurs équivalentes aux plateaux théoriques nettement plus élevées dans les cas où les mélanges sont mal répartis sur les tubes ou dans la calandre et dans les cas où les surfaces des tubes ne sont pas complètement mouillées par les films de liquide. Une diminution de la pureté en oxygène produit pouvant atteindre 30 % est aussi calculée sous l’effet de ces types de mal distribution.
Ces différentes formes de mal distribution sont alors étudiées, expérimentalement ou par modélisation CFD. Pour l’introduction du liquide à basse pression en tête des tubes sous forme
Conclusions générales et perspectives 146 de film, un dispositif de distribution a été dimensionné et testé sur un banc d’essais expérimental cryogénique permettant de déduire la géométrie et les dimensions optimales de ce dispositif. Du côté basse pression, le deuxième type de mal distribution est celui du débit de vapeur en cuve sur les tubes. Des dispositifs de distribution présentés dans la littérature sont exposés et leur adaptation aux échangeurs tubes-calandre effectuée. Il a été montré que le dispositif en fentes hélicoïdales permet la meilleure répartition de film liquide.
Dans la calandre, l’entrée de la vapeur en cuve est simulée numériquement avec un logiciel CFD et les résultats montrent que la mal distribution de la vapeur autour des tubes persiste pour différentes vitesses d’entrée. Des dispositifs de distribution homogène sont alors proposés. Des dispositifs de distribution homogène du film liquide sur les parois externes des tubes ont été également proposés.
La validation expérimentale du concept de la distillation de l’air cryogénique dans un échangeur du type tubes-calandre ainsi défini se fait dans une colonne pilote, conçue et dimensionnée dans ce but.
Enfin, le travail effectué dans cette thèse appelle un certain nombre d’améliorations et d’études plus poussées.
L’analyse exergétique globale du procédé de distillation réel, avec ces différentes unités de compression, de purification et d’échanges de chaleur, permettra de calculer les gains totaux apportés par l’installation de la colonne à échanges de chaleur intégrés en remplacement de la colonne adiabatique double, actuellement utilisée pour la production d’oxygène.
La colonne pilote de distillation diabatique dimensionnée, une fois sa construction achevée, permettra de valider les simulations numériques du fonctionnement de la colonne par les mesures expérimentales réalisées.
Sur cette colonne pilote, seront testés les différents dispositifs de distribution homogène des mélanges de liquide et de vapeur, à haute et à basse pression en tête et en cuve de la colonne.