Conception d’une colonne pilote pour validation

Ce chapitre a pour objectif de présenter les éléments relatifs au dimensionnement de la maquette de la colonne de distillation tubes-calandre. En effet, le concept de séparation des composants de l’air dans un échangeur tubes-calandre étant encore théorique, une validation expérimentale de la faisabilité de ce processus s’avère nécessaire. Une installation pilote est alors conçue et dimensionnée pour effectuer les mesures nécessaires permettant de valider la faisabilité technique de ce type de colonne échangeur. Dans ce but, une colonne pilote tubes-calandre de dimensions réduites doit prochainement être réalisée et intégrée dans une installation industrielle de séparation cryogénique de l’air de la société Air Liquide. Cette intégration impose des contraintes tant de taille que de configuration de l’unité pilote de séparation pour validation du concept. Des conditions opératoires représentant les conditions réelles d’utilisation sont aussi requises. Pour répondre à ces exigences (échangeurs de chaleur, entrées et sorties des mélanges, installation des instruments de mesures) l’unité pilote a été conçue et est présentée dans ce chapitre. Dans une première section de ce chapitre, l’installation industrielle dans laquelle sera intégrée la colonne pilote est d’abord décrite ainsi que les conditions de fonctionnement imposées pour cette colonne pilote. Ensuite cette colonne tubes-calandre pilote est dimensionnée. Les mesures expérimentales qui doivent être réalisées sont définies et le processus de validation détaillée. La colonne pilote est en cours de construction par la société spécialisée dans les échangeurs de chaleur CIAT. La validation expérimentale n’a pu être réalisée dans le cadre de cette thèse et sera effectuée dans un futur proche.

Description de la colonne pilote

Cette installation est intégrée dans un site de séparation des constituants de l’air. L’avantage de cette intégration réside dans la possibilité d’utiliser un grand débit d’air liquide ayant différentes compositions. Un autre avantage réside dans le fait que l’environnement de sécurité disponible sur le site industriel permet de réduire drastiquement le travail de préparation par rapport au cas où cette installation est construite en laboratoire. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de cette installation, le gaz dans la partie HP a été coloré en jaune et le liquide en rouge alors que dans la partie BP, le gaz est coloré en bleu clair et le liquide en bleu foncé. Un troisième circuit de fluide (coloré en vert) est également utilisé afin de vaporiser ou condenser les fluides de travail. Les parois de l’installation sont représentées en noir. Figure 4.1 : Schéma du pilote colonne-échangeurs Air Liquide [1] Le principe de fonctionnement est le suivant : le liquide du côté HP accumulé au pied de la colonne, s’évapore pour former un débit de vapeur (2). L’évaporateur du liquide à haute pression (1) a une puissance thermique maximale de 180 kW. Le débit de vapeur (2) est utilisé sous deux formes : une fraction (4) alimente un serpentin servant d’évaporateur à la colonne BP (le débit est contrôlé par thermoconvection) et le reste constitue l’entrée en cuve de la calandre (3). Dans la calandre, une condition de condensation quasi-totale est imposée. La quantité de vapeur à haute pression recueillie en tête (12) est très faible. Le débit de vapeur (4) est condensé dans le serpentin et le débit de liquide (10) est recueilli à la sortie. Le condensat à haute pression est recueilli en cuve (5), puis mélangé au débit sortant du serpentin (10) pour former un débit de liquide à haute pression (11) qui s’accumule au pied de l’installation. La puissance de l’évaporateur (1) est réglée de sorte à assurer un débit de vapeur à haute pression (2) égal au débit de liquide à haute pression (11).

Du côté basse pression, le liquide (6) est introduit dans les tubes à travers le dispositif de distribution décrit au chapitre 3. Le liquide s’évapore partiellement lors de son écoulement descendant. Le débit recueilli en cuve (7) s’évapore au contact du serpentin formant ainsi l’entrée vapeur à basse pression dans les tubes. Une condition de reflux total est donc appliquée en cuve de la colonne du côté basse pression. La vapeur recueillie en tête (8) se condense dans un condenseur (9) pour former le liquide d’entrée dans les tubes. Une condition de reflux totale est donc appliquée en tête aussi. La puissance maximale du condenseur (9) est de 180 kW. Les conditions opératoires à prendre en compte dans le dimensionnement de l’échangeur se résument donc par ce qui suit.