Contribution à l’analyse exergétique des colonnes de distillation de l’air

L’analyse exergétique des systèmes énergétiques est une des méthodes les plus puissantes pour la compréhension des sources des irréversibilités de ces systèmes. L’identification et la compréhension des origines de ces irréversibilités permet, outre l’identification des moyens d’intégration du ou des procédés réduisant ces pertes exergétiques, l’élaboration des cahiers de charge des composants à développer pour atteindre cet objectif de réduction des irréversibilités. Nombreuses sont les études qui traitent la question de l’analyse exergétique des systèmes énergétiques [1] [2] [3]. A. LALLEMAND [4] effectue une introduction intéressante à cette approche. Il montre sur un cas d’étude que, dans un cycle thermodynamique simple de production de froid (la machine frigorifique), différentes sources d’irréversibilités existent (condenseur, évaporateur, détendeur et compresseur) et que, dans le cas étudié, le compresseur est responsable de 30 % des irréversibilités du système, le condenseur et l’évaporateur de 60 % et le détendeur de 10 %. Ces analyses permettent alors l’identification des sources d’amélioration des performances des cycles, comme par exemple, des compresseurs ayant de meilleurs rendements isentropiques ou des échangeurs de chaleur avec glissement de température. D’un autre côté, nombreuses sont les études qui traitent l’aspect exergétique dans le cas des cycles de séparation de l’air par voie cryogénique [5] [6] [7]. Plusieurs exemples de ce type d’approche globale sont rapportés dans la littérature scientifique. R. CORNELISSEN et G. HIRS [8] ont modélisé sous le logiciel ASPEN PLUS un cycle complet d’une unité de séparation d’air par voie cryogénique. L’unité modélisée par ces auteurs est décrite dans la figure 1.1. On peut décomposer cette unité en cinq grandes parties. L’unité de compression et de purification de l’air sert à comprimer l’air à 600 kPa et à enlever les impuretés et le CO2. L’unité de liquéfaction sert à liquéfier les gaz de l’air par une succession d’une compression, d’un refroidissement et d’une détente.

L’échangeur de chaleur principal sert à refroidir l’air à une température de l’ordre de -170 °C. L’unité de distillation sépare les constituants de l’air dans une colonne de distillation à deux niveaux de pression (600 kPa et 150 kPa) et finalement une unité de purification permet de purifier l’argon initialement présent dans l’air en faible pourcentage. Ce procédé constitue l’exemple type des unités de séparation d’air par voie cryogénique. Dans un deuxième temps, les auteurs effectuent une étude exergétique pour identifier les sources des irréversibilités du procédé étudié. Le tableau 1.1 montre les résultats de leur étude ; ces résultats sont présentés ici d’une façon simplifiée [8]. Total 8 810 0,28 100 % On peut constater que les sources principales de ces irréversibilités sont situées au niveau de l’unité de compression et de purification de l’air (31 % des pertes globales). Dans cette unité, l’origine des irréversibilités est principalement liée au compresseur. La colonne de distillation contribue quant à elle à 10 % des irréversibilités. D’autre part, une source majeure des irréversibilités (55 %) est liée à l’unité de liquéfaction de l’air qui comporte des compresseurs et des turbines fonctionnant à des niveaux de pression relativement élevés (entre 3,1 et 4,6 MPa). L’unité de purification d’argon présente une perte exergétique globale très faible, malgré un rendement exergétique très faible (de l’ordre de 0,02). Il en est de même pour l’échangeur de chaleur principal (3,6 % des irréversibilités), ceci étant lié au faible gradient de température entre les fluides circulant dans cet échangeur. D’après cette analyse, il s’avère indispensable d’améliorer les performances des compresseurs en augmentant leur rendement exergétique. Cette amélioration nécessite à elle seule une démarche de recherche très poussée et fait l’objet d’un grand nombre d’études dans différents secteurs industriels et académiques.

Une autre piste d’amélioration des performances du cycle de séparation de l’air consiste à optimiser les colonnes de distillation. Cette optimisation peut présenter deux aspects différents :  Dans cette section, une étude exergétique d’une colonne de distillation simple est effectuée. Le but de cette étude est de quantifier les différents postes de destruction d’exergie et de montrer la limitation physique des rendements exergétiques maximaux dans ce type de colonne. Cette partie introduit la partie suivante qui porte sur une étude plus poussée des trois types de colonne de distillation cités ci-dessus. Dans cette section, on considère que le processus de distillation est réalisé dans des colonnes verticales munies de plateaux théoriques à travers lesquels les phases vapeur G et liquide L circulent à contre-courants (cf. figure 1.2). Pour que les échanges de matière et de chaleur se fassent, il faut qu’il existe un déséquilibre thermodynamique entre ces deux phases. L’alimentation F est introduite en un point de la colonne dont la position joue un rôle déterminant sur le fonctionnement de la colonne.