Etude des écoulements de liquide et de vapeur dans la colonne

Il a été montré au chapitre précédent que le bon fonctionnement de la colonne de distillation intégrée passe par une gestion optimale des écoulements des deux côtés de l’échangeur. Ces écoulements concernent aussi bien le gaz que le liquide. Ce chapitre traite donc de la problématique de mal distribution des fluides dans l’échangeur/colonne de distillation tubes- calandre disposé verticalement. Les formes de mal distribution de fluides pouvant apparaître dans l’échangeur tubes-calandre conçu pour la distillation de l’air se divisent en deux catégories. La première catégorie est une mal distribution dite macroscopique, ceci est le cas lorsque cette mal distribution intervient sur une grande section de la colonne, deux formes de ce type de mal distribution peuvent avoir lieu : La deuxième forme de mal distribution est une mal distribution locale ; elle concerne particulièrement le comportement du film liquide sur les parois intérieures ou extérieures des tubes. La maîtrise de ce type d’écoulement passe par la conception de tubes permettant un étalement du film liquide sur les surfaces des tubes. Les effets de ces distributions non homogènes sur le fonctionnement de la colonne et sur l’efficacité de séparation diabatique des composants de l’air ont été présentés au paragraphe 6 du chapitre 2. Une réduction de la pureté en oxygène du produit liquide à basse pression pouvant atteindre 30 % a été calculée. Dans ce chapitre, les phénomènes de mal distribution sont analysés et des solutions pour y remédier sont proposées. Tout d’abord, les mal distributions pouvant apparaître du côté basse pression sont traitées : l’entrée du liquide à basse pression en tête sous forme de film liquide et la répartition homogène du débit de vapeur sur les tubes dans le cas d’un changement de section. Un distributeur du liquide à basse pression en tête est conçu et dimensionné pour assurer une distribution homogène à l’intérieur des tubes. Le distributeur assure aussi l’écoulement en film du liquide dans les tubes. La formation du film liquide à l’intérieur des tubes est observée sur un banc d’essais mono-tubulaire, permettant de définir la géométrie optimale du distributeur et des tubes pour la formation d’un film bien réparti. Des dispositifs de distribution homogène de la vapeur sur plusieurs tubes sont aussi proposés. Dans un deuxième temps, les formes de mal distribution dans la calandre sont étudiées. L’entrée de la vapeur à haute pression en cuve de la calandre est simulée à l’aide d’un modèle CFD qui permet de calculer la distribution du débit sur la section de la calandre et des dispositifs de distribution homogène sont proposés. Des dispositifs de distribution du liquide à haute pression sur les parois externes des tubes sont aussi proposés.

A l’entrée des tubes en tête de la colonne, un distributeur du débit de liquide à basse pression est à concevoir et dimensionner dans le but d’assurer d’une part des débits de liquide égaux dans tous les tubes, et d’autre part des films liquides bien établis sur les parois internes des tubes. La figure 3.1 montre un schéma représentatif du dispositif de distribution du liquide à basse pression en tête de l’échangeur tubes-calandre. La figure représente une vue de face du distributeur. Pour simplification, trois tubes sont représentés sur la figure. Le liquide est d’abord accumulé dans un plateau de distribution. Les extrémités supérieures des tubes dépassent le bord inférieur du plateau de distribution et sont munis d’ouvertures (fentes), de géométrie à définir, à travers lesquelles le liquide s’infiltre dans les tubes. Une distribution homogène du liquide dans les tubes nécessite un niveau de liquide uniforme dans le plateau de distribution. Le niveau de liquide est défini par le débit entrant dans le plateau, les débits sortant du plateau vers les différents tubes à travers les fentes et les pertes de charge linéaires dans le plateau.