Transitions pour le diagramme opérationnel

Le mécanisme du pleurage est souvent décrit par une compétition entre le poids du liquide sur le plateau et l’inertie du gaz. Pour cette raison le nombre de Froude est utilisé par plusieurs travaux pour les corrélations du pleurage. Ici ce nombre adimensionnel est utilisé pour proposer une corrélation pour la transition du domaine de fuite repérée par le maximum local de la hauteur de liquide clair :

74 . 0 73 . 7 Fr Fa_Fuites  (4-9)

avec une erreur maximale de 9%.

Pour la limite du pleurage la corrélation introduite pour le point d’ouverture (OBP) est adoptée : 2 3 2 ,L 2.1 9 10 L L OBP U Fa      (4-10)

La comparaison des transitions proposées dans le cadre de ce travail avec certaines de la littérature est présentée à la Figure 4-24. Fair (1997) propose un diagramme hydrodynamique graphique pour un plateau perforé industriel (diamètre 1.52 m). Wijn (1998) propose un modèle théorique des limites de pleurages sur plateaux perforés et à clapets.

La limite des fuites est en accord avec le diagramme de Fair (1997) (Figure 4-24.a). Par contre la limite de pleurage ne peut être comparée au cas des plateaux perforés, le comportement des clapets vis à vis du pleurage étant notablement différent (Figure 4-24.b).

L’application du modèle proposé par Wijn (1998) au cas présent montre une limite de pleurage décroissante avec la charge liquide. Le sens de variation avec la charge liquide est plutôt

Chapitre 4 : Résultats expérimentaux sur la grande colonne C3

111

en accord avec les points expérimentaux même si la dépendance est beaucoup plus faible. Plus de résultats expérimentaux sur plateaux à clapets sont nécessaires pour une meilleure comparaison.

a

b

Figure 4-24 : Comparaison des corrélations ((4-9) et (4-10)) des limites inférieures sur le plateau aux travaux de la littérature. a. Fuites b. Pleurage

b. Transitions liées à l’engorgement

Pour les limites supérieures correspondant au pré-engorgement et à l’engorgement, l’interaction gaz liquide est importante. Pour cette raison le ratio d’écoulement est introduit dans les corrélations des transitions.

Une corrélation qui emploie le ratio d’écoulement et le nombre de Froude est proposée pour la limite de pré-engorgement: 4 . 1 23 . 0 Pr 75.5 Fr Fa _eflooding  (4-11)

Chapitre 4 : Résultats expérimentaux sur la grande colonne C3

112

L’erreur par rapport aux points expérimentaux est de 2%.

Pour l’engorgement trois mécanismes, selon le régime, sont pointés dans les descriptions phénoménologiques présentés dans la littérature (Zuiderweg, 1982 ; Van Sinderen et al, 2003). Pour le régime de jets la capacité de la colonne varie relativement peu avec la charge liquide. Lockett (1986) explique que, pour ce régime, l’augmentation de la charge liquide, implique une augmentation de la hauteur de liquide clair sur le plateau et par conséquent une décélération plus importante du gaz sur le plateau. Cette décélération explique la légère augmentation de la capacité. Pour ce régime le nombre de Froude peut être considéré comme paramètre corrélatif. Les deux autres mécanismes décrits concernent le régime d’émulsion. Pour ce régime l’augmentation de la charge liquide cause l’augmentation de la hauteur de l’émulsion et le rétrécissement de l’espace consacré au désengagement des deux phases. Le dernier mécanisme, en régime d’émulsion également, concerne l’engorgement de type déversoir qui est contrôlé par le débit liquide. Ainsi pour le régime d’émulsion le paramètre corrélatif choisi ici est le rapport entre la différence entre l’espace inter-plateaux et le haut de l’émulsion et le ratio de l’écoulement Ψ.

Dans cette étude, la transition entre régime n’a pas été détectée faute d’observation d’un changement net sur les grandeurs mesurées en rapport avec une inversion de phase. Ici la corrélation proposée par Hofhuis (1980) basée sur une valeur critique du paramètre de l’écoulement est considérée. Hofhuis propose une valeur critique entre 3 et 4, qui est ici fixée à 4. Ce choix sera justifié dans le chapitre suivant (voir chapitre 5). Ainsi la corrélation de l’engorgement suivante est proposée :

Régime de jet FP<4 : 18 . 0 9 . 3 Fr Fa_Engorgement   (4-12) Régime d’émulsion FP>4:





où Ts est l’espace inter-plateaux.

Comme pour le pleurage, les corrélations disponibles pour l’engorgement sont plutôt consacrées aux plateaux perforés. Pour les plateaux à clapets les constructeurs fournissent des corrélations des limites opératoires des colonnes.

Sur la Figure 4-25, les corrélations de pré-engorgement et de l’engorgement sont comparées à des corrélations disponibles dans la littérature.

Pour les faibles valeurs de charge liquide, les deux corrélations de l’engorgement et du pré- engorgement présentent une dépendance à la charge liquide cohérente avec les corrélations de la littérature.

Pour les plus fortes charges liquides la corrélation de l’engorgement décroit rapidement avec le débit liquide. Pour ce type d’engorgement les résultats de la littérature sont assez dispersés

Chapitre 4 : Résultats expérimentaux sur la grande colonne C3

113

mais seule la corrélation de Hofhuis (1980) en régime d’émulsion présente une chute aussi importante que ce qui est observé ici. Ceci pourrait s’expliquer par la différence de géométrie de la colonne. La colonne utilisée par Hofhuis est rectangulaire comme celle employée ici.

Figure 4-25 : Comparaison des corrélations ((4-11), (4-12) et (4-13)) des limites supérieures de fonctionnement sur le plateau aux travaux de la littérature.

4.7 Conclusion

L’étude des différentes grandeurs hydrodynamiques et d’aire interfaciale sur une large gamme de vitesses liquide et gaz sur la grande colonne C3, permet une analyse cohérente des changements de comportement sur les plateaux. Un recoupement entre les différents paramètres permet, par conséquent, l’établissement d’un diagramme opérationnel pour la colonne et la mise en évidence de la prépondérance de certains phénomènes.

Les mesures innovantes des profils de l’émulsion liquide gaz sur les plateaux permettent d’accéder à des informations non accessibles par les mesures de grandeurs globales. Notamment des zones de mal-distributions ou de non stabilité (fortes oscillations) peuvent être identifiées en se basant sur les résultats de profils de l’émulsion.

La dépendance des différents paramètres mesurés aux vitesses liquide et gaz est décrite par la proposition de corrélations empiriques.

Un autre paramètre d’intérêt étudié dans le cadre de ce travail est celui de la taille de la colonne. Celui-ci sera étudié dans le chapitre suivant, par une comparaison fine entre les résultats présentés jusqu’ici sur la colonne C3 et les résultats obtenus sur la petite colonne C2.

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 0 5 10 15 20 25 F a ( P a 0.5) L (10-3 _m3_/m.s)

Corrélation proposée pré-engorgement Corrélation proposée engorgement Zuiderweg 1982 engorgement déversoir Hofhuis engorgement émulsion (1980) Koch

Glitsch

114

Chapitre 5

5 Effet de la longueur de passe :

comparaison entre C2 et C3

Ayant exposé et analysé les résultats sur la grande colonne C3, on se propose dans ce chapitre de comparer les différents résultats d'hydrodynamique et d’aire interfaciale d’échange entre les deux colonnes C2 et C3. Comme déjà vu au Tableau 3-1, les colonnes possèdent des caractéristiques géométriques semblables mis à part la longueur de passe LP qui vaut sur la

grande colonne C3 trois fois celle de la petite colonne C2. Ainsi, la comparaison entre les colonnes aura pour but la mise en exergue de l’effet de ce paramètre sur les différentes grandeurs expérimentales mesurées.

Comme pour la C3, seuls les débits liquide et gaz ont été variés. Le choix des gammes de débits était fait de manière à couvrir la gamme industrielle en termes de facteur cinétique gaz ramené à l’aire active Fa, pour le débit gaz, et en termes de charge liquide L, pour le débit liquide (voir Tableau 5-1).

Tableau 5-1 : Comparaison des gammes de vitesses liquide et gaz et de la longueur de passe sur les deux colonnes avec les unités industrielles

Unités industrielles C2 C3

min max min max min max

Débit liquide/Longueur barrage

(charge liquide) L (10-3m3/m,s) 3 27 3.2 24.3 3.2 24.3

Débit liquide/Aire active ULa (10-3

m/s) 6 37 3.3 25.4 8.9 68

Facteur cinétique gaz Fa (Pa 0,5) 0.66 1.95 0 4 0 3.5

Longueur de passe LP (m) 0.39 3.41 0.36 0.96

Le but de l’étude étant de fournir des éléments pour mieux maitriser l’extrapolation de l’échelle pilote vers l’échelle industrielle, la comparaison entre les deux maquettes est faite en cherchant à identifier les paramètres de similitude permettant le passage de la petite vers la grande colonne. Un premier pas vers l’extrapolation à l’échelle industrielle est ainsi franchi par l’identification des phénomènes prépondérants, des paramètres régissant ces phénomènes mais également en surlignant les risques liés au changement d’échelle.

Ce chapitre sera divisé en deux grandes parties. La première s’attachera à la comparaison des résultats entre les deux colonnes. Dans la deuxième partie, une tentative de proposition de corrélations valables pour les deux colonnes sera proposée.

Chapitre 5 : Effet de la longueur de passe : comparaison entre C2 et C3

115

Contenu

5 Effet de la longueur de passe : comparaison entre C2 et C3 ... 114 5.1 Comparaison entre les deux maquettes C2 et C3 ... 116 5.1.1 Similitude C2/C3 : choix des vitesses caractéristiques liquide et gaz ... 116 5.1.2 Écarts sur l'extrapolation entre maquettes ... 119 5.2 Corrélations : à la recherche de lois d'échelle ... 138 5.2.1 Perte de charge à sec ... 138 5.2.2 Perte de charge clapets ... 139 5.2.3 Hauteur de liquide clair ... 141 5.2.4 Rétention liquide moyenne ... 145 5.2.5 Hauteur de l’émulsion moyenne ... 146 5.2.6 Transitions du diagramme opérationnel ... 148 5.3 Conclusion ... 151

Chapitre 5 : Effet de la longueur de passe : comparaison entre C2 et C3

116