Jérémie Malle, Patrice Clément, Patrice Tochon, André Bontemps Etude expérimentale de la condensation de n-hexane et d’isopropanol avec incondensables : analyses thermiques et hydrauliques Jérémie Malle, Patrice Clément, Patrice Tochon, André Bontemps GREThE-LETH

Plan Contexte Objectifs de l’étude Moyens expérimentaux Résultats Méthodes disponibles et choix Caractérisation expérimentale Moyens expérimentaux Résultats Conclusion - Perspectives

Contexte Industrie chimique et pétrochimique Conception et utilisation de géométries complexes Plusieurs phénomènes couplés Condensation de mélanges Configuration des écoulements Engorgement des canaux en cas de reflux

Objectifs de l’étude Choix d’une méthode adaptée Courbe de condensation Méthode du film Caractérisation monophasique des deux géométries testées Coefficient de frottement Coefficient d’échange simple phase Comparaison condensation descendante/à reflux Condensation à reflux Limite d’apparition de l’engorgement

Méthodes disponibles Méthode de la courbe de condensation Transfert de masse négligé Méthode du film Prise en compte du transfert de masse Paramètre de choix : nombre de Lewis Détermination pour des mélanges binaires Propriétés physiques des fluides Prophy de PROSIM (modèle SRK)

Méthode de la courbe de condensation Hypothèses Mélange gazeux en équilibre Transferts de masse faibles Données nécessaires Propriétés physiques des fluides

Méthode du film Hypothèses Données nécessaires Couche de diffusion Vapeur Incondensable T d Paroi Fluide froid Condensat Mélange αcondensation Tp Tl TI Tc TP Méthode du film Hypothèses Le composant le plus volatil forme un film gazeux à l’interface liquide/vapeur Données nécessaires Propriétés de transport Coefficients de diffusion

Nombre de Lewis Pour des mélanges binaires Méthodes équivalentes pour Différence relative entre les deux théories, Webb, D.R., 1996

Calcul du coefficient de diffusion binaire Relation la plus classique Hirschfelder et al. : Paramètres T température, P pression M masse réduite σ diamètre de collision ΩD intégrale de diffusion

Expression générale de ΩD (Hirschfelder et al Expression générale de ΩD (Hirschfelder et al., Molecular theory of gases and liquids, 1964) kB, constante de Boltzmann γ, vitesse réduite des molécules χ, angle de déflection b, paramètre d’impact Calcul de pour des mélanges binaires Dépend d’un paramètre ε12 (cf Reid et al., The Properties of gases and liquids, 1987) Valeur finale tabulée dans la littérature, fonction de

Mieux connaître l’amélioration des performances Objectifs des essais Mieux connaître l’amélioration des performances Essais sur maquettes Performances thermiques Performances hydrauliques Corrélations spécifiques Fluide Géométrie

Boucle expérimentale CLARA Légende 1-circuit gaz 2,3-circuit condensat 4-circuit eau 5-circuit liquide 6-pompe de circulation 7-surpresseur 8-vannes de régulations

Fonctionnement en condensation à reflux 3m Sortie mélange appauvri Sortie eau Sortie hydrocarbure condensé (par gravité) Entrée eau Sortie mélange appauvri azote (non condensable)/hydrocarbure Entrée mélange riche 3m Fonctionnement en condensation à reflux

Sections d’essais Section d’essais 1: corrugations à 75° Sections d’essais 2 et 3 : corrugations à 90° Circuit eau Circuit mélange

0 - 40 kW Plage de données 15°C - 90°C 0°C - 85°C 50%-50% Puissance échangée 0 - 40 kW Température hydrocarbure gaz 15°C - 90°C Température côté froid 0°C - 85°C Composition moyenne en entrée 50%-50% Gmélange 0 - 40 kg.m-2.s-1 Débit côté froid 4 - 15 m3/h Débit de condensat 0,5 - 4,5 m3/h

Essais réalisés - Résultats Azote seul Condensation descendante/ à reflux isopropanol + azote n-hexane + azote

Essais en azote seul Résultats Coefficients de frottement

Essais en azote seul Résultats Côté eau : Coefficient d’échange global U en simple phase Côté eau : Dittus-Boelter modifié par Mc Adams Côté Gaz : établissement de corrélations de la forme

Comparaison condensation descendante/ à reflux Coefficient d’échange global U (essais en n-hexane)

Résistances Thermiques -Condensat -Mélange gazeux

Observation de l’engorgement des canaux (flooding) Représentation la mieux adaptée : English et al.

Conclusion Influence de l’angle de corrugation Coefficient de frottement Performances thermiques Influence de la nature des fluides Nombre de Lewis Limite d’apparition de l’engorgement

Perspectives Calcul systématique du nombre de Lewis pour des mélanges binaires Etude de l’influence de paramètres géométriques comme l’angle de corrugation sur les performances simple phase et en condensation

Annexes

Collision binaire, d’après Hirschfelder et al Collision binaire, d’après Hirschfelder et al., Molecular theory of gases and liquids, 1964

Collision binaire, d’après Hirschfelder et al Collision binaire, d’après Hirschfelder et al., Molecular theory of gases and liquids, 1964