Conception d’une colonne de distillation à échanges de chaleur intégrés

La comparaison exergétique des colonnes de distillation d’air menée dans le chapitre 1 a montré une réduction des pertes exergétiques de 23 % en passant de la colonne double adiabatique, à la double colonne diabatique. Plusieurs études, citées dans le chapitre 1, comparent les colonnes de distillation diabatique aux colonnes adiabatiques conventionnelles d’un point de vue exergétique, et des améliorations des rendements exergétiques de l’ordre de 20 à 40 % sont calculées. Ces colonnes sont aussi comparées d’un point de vue énergétique, en comparant les charges au bouilleur et au condenseur dans les deux colonnes. Des réductions des consommations d’énergie de 40 % sont calculées. Les modèles théoriques et expérimentaux, cités dans la littérature, permettent de comparer différentes géométries de colonnes de distillation diabatique ainsi que de prévoir l’impact des paramètres géométriques et opératoires sur le fonctionnement de la colonne. Dans ce chapitre, après une explication du concept de la distillation diabatique et des différents phénomènes physiques qui y prennent place, une revue bibliographique des différents types d’échangeurs les plus adaptés à la distillation diabatique de l’air est exposée afin de sélectionner le type d’échangeur. Dans une deuxième section, la méthode de modélisation de la colonne de distillation diabatique de l’air cryogénique est détaillée. Les mécanismes de transferts sont modélisés et les différentes corrélations relatives aux pertes de pression, aux transferts de chaleur et aux transferts de masse sont choisies. Le modèle numérique développé permet, dans un premier temps, de définir la configuration d’échanges dans la colonne, et cela en déterminant le niveau de pression dans chaque section. Le modèle développé permet aussi de prévoir l’influence de différents phénomènes physiques sur la performance de la colonne, tels que la distribution des mélanges sur les sections de passage et le mouillage des parois par le liquide.

Le phénomène de distillation se base sur le principe de différence de volatilités entre les composants du mélange à séparer. Pour la production d’oxygène par séparation des composants de l’air, les températures d’ébullition de l’azote et de l’oxygène étant assez proches (77 K et 90 K respectivement), le processus de séparation nécessite un apport d’énergie significatif et un grand nombre de plateaux. D’où le recours à la distillation diabatique, typique pour les mélanges à faible écart de volatilités des composants [1] et permettant d’effectuer la séparation à moindres consommations énergétiques. La distillation cryogénique diabatique de l’air (CDA) se fait dans deux colonnes, à deux niveaux de pression, mises en contact pour permettre un transfert de chaleur de la colonne à haute pression (HP) vers la colonne basse pression (BP). La figure 2.1 représente schématiquement le processus. La figure 2.2 représente les écoulements à l’intérieur des deux colonnes haute et basse pressions, ainsi que les phénomènes de transferts. Figure 2.2 : Ecoulements et transferts de masse et de chaleur dans la colonne diabatique Le point crucial pour la conception des colonnes diabatiques consiste à créer des surfaces de contact suffisantes entre les colonnes pour permettre les transferts de chaleur requis. Dans ce but, les chercheurs se sont intéressés aux différents types d’échangeurs de chaleur et ont étudié la possibilité de les adapter à la distillation diabatique. L’écoulement des fluides, chauds ou froids, d’un côté de l’échangeur, est remplacé par deux écoulements, liquide et vapeur, à contre-courants, à haute ou à basse pression.

Les échangeurs de chaleur se classent sous deux grandes catégories : les échangeurs tubulaires et les échangeurs à plaques. Dans les échangeurs tubulaires, on distingue les échangeurs monotube en serpentin, les échangeurs bitubes coaxiaux, les échangeurs tubes- calandre et les échangeurs à tubes ailetés [2]. Les échangeurs à plaques sont soit des échangeurs à plaques et ailettes, soit des échangeurs à plaques ondulées et joints, soit des échangeurs à plaques perforées [2]. Les échangeurs de chaleur adaptés aux applications cryogéniques sont les échangeurs à plaques et ailettes, les échangeurs à plaques perforées, les échangeurs bitubes coaxiaux et les échangeurs tubes-calandre [3,4]. Les caractéristiques de ces échangeurs et leurs éventuelles applications industrielles cryogéniques sont exposées dans la section suivante. Leurs performances en distillation diabatique sont ensuite comparées pour choisir le type d’échangeur à considérer pour la distillation CDA pour la production d’oxygène.