Planification expérimentale CMV

conduire des essais sur des fluides biphasiques de type micro-émulsion, nous aborderons également le cas d’un fluide de coupe monophasique de type solution.

3.5.3.1. Modification du procédé

Nous présentons les modifications spécifiques au procédé CMV en vue de se doter de la condition optimale de fonctionnement pour mener notre étude.

Nous rappelons les principaux paramètres d’évaporation qui sont : pression de saturation, surface d’échange et densité de flux [Stephan, 1992]. Compte tenu des modifications apportées, nous faisons varier deux paramètres cités. Le premier paramètre est la surface d’échange par la mise en place d’un nouveau faisceau tubulaire en vue d’améliorer la performance technique et particulièrement d’accroître le débit de production. Le deuxième paramètre est la densité de flux régie par le compresseur dont nous faisons varier la vitesse du moteur. La variation influe sur le débit de vapeur (sans variation de ∆P sur le compresseur). Dans le but de comprendre en détail le comportement du faisceau tubulaire côté condensation (appelé condenseur), nous étudierons l’impact de la température des lobes du compresseur sur les différences de température respectives pour désurchauffer la vapeur et pour refroidir le distillat. De plus, nous avons identifié deux mécanismes particulièrement gênants comme le phénomène de moussage et la formation de gaz incondensables. Le moussage de l’effluent peut engendrer l’arrêt de l’opération. L’accumulation progressive d’incondensables dans le condenseur contribue à freiner le transfert thermique du flux de chaleur. Les composés incondensables doivent provenir du dégazage de l’effluent à traiter et en particulier l’air dissous. Nous déterminerons la quantité d’air produite dans notre essai par les données du Handbook of chemistry de Lange [Lange, 1934] et nous observerons l’évolution du débit de production pour suivre une éventuelle diminution du transfert thermique. Comme l’a fait remarquer Sacadura dans ses travaux [Sacadura, 1978], la quantité d’incondensables nécessaire pour diminuer de moitié l’efficacité de l’échange thermique est de 1 % (en masse).

Ces deux phénomènes restrictifs sur les conditions de fonctionnement nous font agir sur la quantité de liquide chargée dans la cuve d’évaporation et sur l’implantation spécifique d’une extraction des incondensables en sortie du condenseur.

La modification du procédé touche l’installation du nouveau faisceau et l’implantation du système d’extraction.

Les améliorations sur l’appareillage sont les suivantes (cf. Figure 10):

– instrumentations : capteurs de pression DMP 331BD, sondes de température Pt100, débitmètre Danfoss Magflow 2500 DN6 ;

– variateur de vitesse sur le moteur du compresseur BERGES modèle ECP 3604-0 ;

– acquisition informatisée des données ;

– extraction des composés volatils et incondensables à la sortie condenseur.

Note : les indications en italique représentent les modifications apportées au pilote d'origine.

3.5.3.2. Plan d’expérience pour l’évaporation d’eau

Dans l’objectif de quantifier les modifications apportées au procédé nous effectuerons les mesures de débit de production et de consommation électrique du procédé d’évaporation pour un fluide de référence comme l’eau. Nous chercherons dans ce cas précis à déterminer la condition optimale en fonction du débit de production le plus élevé et la consommation électrique la plus faible possible.

Les facteurs du procédé CMV tels que la surface d’échange, la vitesse du moteur, la température de lobes, la quantité chargée, et l’extraction d’incondensables peuvent être modifiés sur divers niveaux :

– l’échangeur tubulaire de surface d’échange : 0,7 et 1 m2 ;

– la vitesse du moteur du compresseur (débit vapeur) : 2000, 3000, 4000 tr/min ; – la température du compresseur : 120, 140, 160 °C ;

– la quantité d’eau chargée dans la cuve d’évaporation : 26 et 32 kg ;

– l’extraction des incondensables (en sortie de condenseur) : position « fermé » ou « ouvert ».

Il en ressort que le nombre d’expériences à réaliser pour étudier deux facteurs sur trois niveaux et trois facteurs sur deux niveaux correspond à une matrice factorielle complète de 23.32, soit 72 expériences.

Dans le but de réduire le nombre d’expériences à accomplir, il est possible d’une part de procéder à l’essai du nouveau modèle de faisceau tubulaire indépendamment des autres facteurs. En enlevant le facteur « surface d’échange » sur deux niveaux (de 0,7 et 1 m2), la matrice factorielle complète devient 23.22 (soit 36 expériences pour deux facteurs sur trois niveaux et deux facteurs sur deux niveaux). D’autre part, le plan d’expérience choisi sur le domaine expérimental diminue le nombre d’essais de 36 à 20. La matrice de 20 expériences est construite en sous-ensembles économiques régulièrement répartis pour trouver le fonctionnement optimal [Lprai, 1998].

Nous souhaitons approcher les meilleures performances techniques en débit de production et consommation électrique de l’appareillage sous ces options de réglages prédéfinis par le plan d’expériences au Tableau 5, avec l’eau comme fluide de référence, avant d’aborder des fluides au comportement plus complexe comme les fluides de coupe.

Le plan d’expériences de l’évaporation de l’eau a été établi en collaboration avec le Laboratoire de Méthodologie de Recherche Expérimentale de l’Université Saint-Jérôme d’Aix-Marseille III [Lprai, 1998].

Tableau 5 : Plan d’expériences.

Numéro Vitesse (tr/min) Température (°C) Cuve (kg) Extracteur P1 2000 120 26 fermé P3 4000 120 26 fermé P5 3000 140 26 fermé P7 2000 160 26 fermé P9 4000 160 26 fermé P10 2000 120 32 fermé P12 4000 120 32 fermé P15 4000 140 32 fermé P16 2000 160 32 fermé P17 3000 160 32 fermé P19 2000 120 26 ouvert P21 4000 120 26 ouvert P24 4000 140 26 ouvert P25 2000 160 26 ouvert P26 3000 160 26 ouvert P28 2000 120 32 ouvert P30 4000 120 32 ouvert P32 3000 140 32 ouvert P34 2000 160 32 ouvert P36 4000 160 32 ouvert

3.5.3.3. Déroulement des essais

L’expérimentation des fluides de coupe débute par l’étude en détail du fluide usé Condat Polybio 150 et son fluide neuf. Les essais portent sur la variation de concentration des fluides biphasiques de type micro-émulsions Condat Polybio 150 et Elf Emulself G3EAB. Nous terminerons par le fluide monophasique Motul biocool 100 F et son fluide usé issu de la société Twl.