Échangeurs de matière

La distillation et l'absorption fonyt partie aujourd'hui des procédés les plus utilisés dans l'industrie chimique. Dans le cas de la distillation, les espèces miscibles sont séparées du fait de leurs proprietés physiques di fférentes, plus particulièrement leurs volatilités. Une espèce est plus volatile lorsqu'elle est vaporisée a une température inférieure a celle d'une espèce moins volatile. En créant un écoulement diphasique a contre-courant dans une colonne de distillation, le transfert des espèces entre les deux phases permet l'obtention de l'espèce la plus volatile dans la vapeur en tête de la colonne et l'espèce la moins volatile dans le liquide en pied de colonne. Pour favoriser la surface d'échange entre les deux phases, des structures d'échange sont adaptées aux écoulements diphasiques, permettant ainsi une séparation plus efficace. Les structures les plus récentes sont les garnissages structurés. L'écoulement de la vapeur est créé par un bouilleur combiné à la colonne et le liquide est obtenu par l'intermediaire d'un condenseur.

Notre travail s'intéresse donc à l'étude des colonnes de séparation et d'absorption à contre-courants munis de garnissages structurés en particulier. Le but est d'élaborer des modèles permettant la compréhension de l'écoulement diphasique dans cette structure et de calculer le transfert de masse entre ces deux phases. On s'intéressera à développer un logiciel pour la modélisation prédictive du comportement de la distribution des phases, et étudier l'eff et des di fférents paramètres relatifs à la colonne entière ou à la structure de garnissages utilisés sur le transfert de masse et la performance de la colonne. On compte parmi ces paramètres :

des paramètres relatifs a la colonne : diamètre, hauteur de la colonne, hauteur d'un pack, rôle des réflecteurs du liquide (sur les parois de la colonne), pression opératoire ;

des paramètres relatifs aux garnissages : angle d'ouverture des canaux de garnissages, dimensions du triangle de base de canaux (des feuilles), angle d'inclinaison de garnissages...

Le travail se base sur le cahier des charges suivant :

  • Identi cation et analyse des différents mécanismes physiques intervenants dans ces colonnes
  • Modélisation de l'écoulement diphasique à contre-courant à grandes échelles (industrielles)
  • Modélisation de la perte de pression dans la colonne en fonction du type et de la géométrie des garnissages utilisés
  • Evaluation de la performance d'un tronçon unitaire et de la colonne à différentes pressions opératoires
  • Etude de l'influence des paramètres géométriques de la colonne et des garnissages sur l'efficacité des transferts.
Etude de l'écoulement liquide

La modélisation de la distribution liquide dans la structure garnie des colonnes de diphasiques est importante pour l'évaluation de l'efficacité de séparation de ces colonnes. Le modèle développé par le CES pour décrire l'écoulement liquide est le modèle des cellules zone-étage. La communication entre les cellules en termes de débits liquides échangés reproduit la forme de la distribution liquide à différentes hauteurs du lit garni et pour les différentes zones (zone d'introduction initiale, centrale, pariétale et zone de transition). Le modèle est cohérent pour représenter l'écoulement liquide dans la zone d'introduction initiale et la zone centrale des garnissages et nécessite un développement pour son extension précise sur les autres zones. Le modèle valide l'application des corrélations globales pour l'épaisseur du film liquide et la surface effective mouillée pour déterminer ces paramètres à l'échelle locale (dans chaque cellule). Cette procédure a été adoptée par plusieurs chercheurs. Les corrélations globales sont établies généralement à partir des observations expérimentales. L'extrapolation des résultats calculés à l'échelle locale donne des résultats du même ordre de grandeur que ceux obtenus par des mesures sur des colonnes industrielles.

Modélisation de l'écoulement liquide par l'approche zone étage.

Prédiction de la perte de pression

La distribution de la vapeur développe un profil quasi-homogène dans le lit des garnissages. Par contre, la perte de la pression suivant la direction verticale de la colonne est un important paramètre de la colonne ; imposer une valeur maximale à ce paramètre correspondant au régime de Modélisation de la Perte de Pression surcharge conduit à la détermination de la capacité de la colonne et les combinaisons permises de débit du liquide avec celui de la vapeur à introduire. La perte de pression de la colonne se traduit sous deux formes : force de frottement à l'intérieur des garnissages et force de traînée dans la région pariétale et la zone de transition entre les packs tournés de 90°. La composante la plus importante est la force de frottement ; elle est responsable de plus de 75 % de la perte de pression dans le lit des garnissages structurés. Un modèle CFD permettant de calculer cette composante de frottement, entre les flux de vapeur et avec les parois solides des feuilles, a été développé par le CES. Ce modèle peut s'appliquer sur plusieurs géométries des garnissages structurés, avec différentes valeurs de la hauteur et de l'angle d'ouverture des canaux. 

Le coefficient de la perte de pression par frottement est défini, il est relié à la composante de frottement par l'équation. Une corrélation de ce coefficient est établie, en fonction du nombre de Reynolds de la vapeur et les dimensions de garnissages structurés utilisés. Les canaux sont considérés comme ayant une inclinaison constante de 45°. Cette corrélation a été vérifiée pour plusieurs fluides, y compris l'air aux conditions cryogéniques.

Modèle de transfert de masse

Le transfert de masse entre les deux phases liquide et gazeuse dans les colonnes est le phénomène physique responsable de la séparation et de l’absorption des composants du mélange. L'échange des espèces s'effectue par diffusion entre la région interne de chaque film et l'interface avec l'autre phase. Un transfert de masse plus important signifie un échange d'espèces plus importante ; la colonne est donc plus performante. Les films du liquide et le débit de la vapeur étant en mouvement sur les garnissages, le transfert de masse est contrôlé par l'écoulement des deux phases qui limite le temps de diffusion des espèces. Assurer une large surface d'interface liquide-vapeur est donc primordial pour accélérer l'échange entre les phases. Or cette surface d'interface est limitée par le liquide qui se répartit sous forme de films se mélangeant et se divisant sur la surface des garnissages. Cette répartition entraîne ainsi un haut degré de mal distribution comparativement à l'écoulement de la vapeur ; la vapeur remplit tout l'espace vide des garnissages et effectue un mélange radial plus important. La surface séparant les deux phases est donc toute la surface occupée par le liquide, que ce soit la surface mouillée des garnissages ou la surface des gouttelettes accumulées sur les bords des ondulations. Dans ces conditions, cette surface d'interface est la même surface effective du liquide. La performance de la colonne est plus sensible à la mal distribution liquide qu'à celle de la vapeur. La modélisation précise de l'écoulement liquide est donc nécessaire pour l'étude du transfert de masse

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Échangeurs de matière - MINES ParisTech
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