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08/01/2020 DIMENSIONNEMENT DES ÉQUIPEMENTS PÉTROCHIMIQUES POUR : M2 PETRO Ecole

08/01/2020 DIMENSIONNEMENT DES ÉQUIPEMENTS PÉTROCHIMIQUES POUR : M2 PETRO Ecole d’Arzew Dpt Gaz, Raffinage & Pétrochimie M. SAIED Miloud PROGRAMME : RAPPEL SUR TRANSFERT DE CHALEUR VOIR DOC : TRANSFERT DE CHALEUR _ ECHANGEURS CHAPITRE 05: Calcul des échangeurs de chaleurs. CHAPITRE 06: Calcul des condenseurs. CHAPITRE 07: Calcul des rebouilleurs. CHAPITRE 08: Calcul des fours. 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 QUELQUES RAPPELS SUR LES UNITÉS 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 Les procédés des industries pétrolières, pétrochimiques ou chimiques demandent souvent que les fluides traités soient réchauffés ou refroidis avec ou sans changement de phase au cours des diverses opérations auxquelles on les soumet. La chaleur mise en œuvre représente une importante dépense d’énergie dont il est nécessaire de récupérer la plus grande quantité possible en permettant, par exemple, à un fluide chaud de transmettre sa chaleur à un fluide froid. Échangeur (Exchanger) : en dehors de son sens général tel qu’utilisé plus haut, ce terme désigne l’appareil qui réchauffe un fluide de procédé et en refroidit un autre le plus souvent sans changement de phase de l’un et l’autre de ces deux fluides. RÔLES DES ÉCHANGEURS ET TERMINOLOGIE 08/01/2020 DIFERENTES FONCTIONS DES ÉCHANGEURS 08/01/2020 08/01/2020 La plupart des échangeurs de chaleur offrant une surface de séparation entre fluide chaud et fluide froid peuvent être classés selon les familles technologiques suivantes : Echangeurs tubulaires ou faisceau-calandre Echangeurs double tube Echangeurs à plaques (démontables ou brasés) Echangeurs spiralés Echangeurs cryogéniques bobinés Echangeurs à air ( Aéroréfrigérants ) 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 Les échangeurs tubulaires existant en usine sont très variés dans leur technologie bien que le principe reste toujours le même. Ainsi, tous les éléments entrant dans la constitution des échangeurs ont fait l'objet d'une normalisation publiée par le TEMA (Standards of Tubular Exchangers Manufactures Association). La planche de la page suivante représente les différentes technologies utilisées. L'essentiel des différences concerne : – la forme des distributeurs – l'agencement de la circulation dans la calandre – la forme du fond de calandre – la méthode utilisée pour permettre au faisceau de se dilater dans la calandre – la pression de fonctionnement DIFFÉRENTS TYPES D'ÉLÉMENTS 08/01/2020 08/01/2020 Type particulier d’échangeurs multi-passes côté faisceau: Composé de tubes en U Fixation sur une seule extrémité peut coulisser librement dans la calandre Permet d’éliminer les problèmes de dilatation thermique différentielle entre la calandre et les tubes 08/01/2020 Possède une calandre surdimensionnée permettant une bonne séparation des phases liquides et gazeuses Attention : Le faisceau tubulaire doit être bien immergé dans le liquide avant de faire circuler le fluide chaud (risque de casse) 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 PRINCIPES DE RÉALISATION TECHNOLOGIQUE - MODES DE CIRCULATION 1/ Écoulement co-courant Fluide froid et fluide chaud circulent dans le même sens Écart de température: Maximal à l’entrée de l’échangeur (risque de choc thermique) Minimal à la sortie Température de sortie minimale du fluide chaud égale à la température de sortie du fluide froid Efficacité faible (elle diminue continuellement) 2/ Écoulement contre-courant Fluide froid et fluide chaud circulent en sens inverse Écart de température moyen dans tout l’échangeur (pas forcément constant) La température de sortie du fluide chaud peut être inférieure à la température de sortie du fluide froid Bonne efficacité (elle reste moyenne dans tout l’échangeur) 08/01/2020 3/ Écoulement à flux croisés Fluide froid et fluide chaud se croisent Efficacité intermédiaire entre les échangeurs co-courant et les échangeurs contre-courant Souvent utilisé lorsque l’un des flux est gazeux: Ex: échangeurs dans un carneau de fumées Ex: aéroréfrigérants 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 BILAN THERMIQUE À TRAVERS UN ÉCHANGEUR 08/01/2020 08/01/2020 C’est une méthode NUT utilisé pour déterminer les performances de n’importe quel échangeur de chaleur. Etant donné que: Sa taille et son type sont spécifiés, Le débit et la température aux entrées sont connus. L'objectif consiste alors à déterminer : L’efficacité de l’échangeur les températures de sortie, et le flux de transfert thermique. Calcul d’un échangeur par la méthode de NUT DÉMARCHE DU CALCUL : Calcul d’un échangeur par la méthode de NUT 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 EXERCICE Un échangeur thermique a double tube reçoit un débit de fluide chaud (dodécane) de 18 m3 /h de masse volumique égal 750 kg/ m3 à 120°C, Cpc = 2260 J/kgK. Ce fluide chaud est utilisé pour le chauffage d’un débit de 10.14 kg/s de fluide froid (eau) à contre courant, admis à 20°C avec Cpf= 4180 J/kgK. La surface d’échange est A= 7.88 m2. La valeur moyenne de coefficient global de transfert,U est 968 W/ m2K. On utilisant la méthode de NUT: Calculer le facteur de capacité R, le NUT et l’efficacité E de cet échangeur. Déterminer les deux températures de sortie des deux fluides. 08/01/2020 CALCUL THERMIQUE DES ECHANGEURS FAISCEAU - CALANDRE Réf: Le pétrole: Tome 2 - P.WUITHIER - Page:1066 et 1067 Réf: Le pétrole: Tome 2 - P.WUITHIER - Page:1083 08/01/2020 ; nc : nombre de passe côté calandre 08/01/2020 Réf: Le pétrole: Tome 2 - P.WUITHIER - Page:1053 ; Nt : nombre total des tubes 08/01/2020 ; nt : nombre de passe côté tubes ; m : débit massique du fluide 08/01/2020 Réf: Le pétrole: Tome 2 - P.WUITHIER - Page:1073 08/01/2020 08/01/2020 ; M : débit massique du fluide Réf: Le pétrole: Tome 2 - P.WUITHIER - Page:1077 08/01/2020 08/01/2020 REMARQUE: Cas de l’eau : Formule simplifiée (régime turbulent) Pour le cas particulier de l’eau, on peut utiliser l’équation simplifiée suivante : hi = [900 x (1,352 + 0,02 x tm) x u 0,8 ] / (di 0,2 ) avec: tm : température moyen de l’eau ( 0 tm 100 °C ) u : vitesse de circulation (m/s) di : diamètre intérieur du tube (m) hi : coefficient de convection (kcal/h m 2 °C) 1- Coefficient de Convection– Coté Tubes 08/01/2020 REMARQUE: 2- Coefficient de Convection– Coté calandre Pour permettre une représentation graphique en fonction du nombre de Reynolds, Colburn définit un nombre sans dimension jH (facture de Colburn): On a : En régime turbulent (Re > 2100) jH = Nu x Pr -1/3 x (μ /μt) -0,14 = 0,36 x (Re) 0,55 Sachant: Nu= ho x De /  3- Coefficient global de transfert de chaleur Us Dans le cas où l’échangeur de chaleur existe et que l’on veux faire la vérification des performance de cette échangeur, tout on négligeant la résistance à travers les parois des tubes, alors le calcul de coefficient global de transfert de chaleur peut être donner par la formule suivante : REMARQUE: 08/01/2020 en Pa en Pa 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 CONDENSEUR ET REBEOUILLEUR 1- CONDENSEUR 08/01/2020 TYPES DE CONDENSEURS TYPES DE CONDENSEURS 08/01/2020 TYPES DE CONDENSEURS DIMENSIONNEMENT DES CONDENSEURS Dans le cas général, lorsque la Condensation est précédée d’une désurchauffe de la vapeur et suivie du refroidissement du condensat, on procède de la même manière comme auparavant pour le dimensionnement, sauf que ici on doit prendre en considération les 3 zones ( Desuper-heating – Condensing – Sub-cooling ) 08/01/2020 DIMENSIONNEMENT DES CONDENSEURS Exemple: condensation du propane à travers un Aéroréfrigérant DIMENSIONNEMENT DES CONDENSEURS 08/01/2020 DIMENSIONNEMENT DES CONDENSEURS 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 08/01/2020 2- REBOUILLEUR/ EVAPORATEUR TYPES D’EVAPORATEURS 08/01/2020 Possède une calandre surdimensionnée permettant une bonne séparation des phases liquides et gazeuses Attention : Le faisceau tubulaire doit être bien immergé dans le liquide avant de faire circuler le fluide chaud (risque de casse) 08/01/2020 08/01/2020 FOURS INDUSTRIELLES Dans la plupart des unités de raffinage ou de pétrochimie l'apport de l'énergie thermique requise par le procédé se fait par l'intermédiaire de fours à chauffage direct dans lesquels l'énergie produite par la combustion est transmise directement au fluide à réchauffer qui circule dans un serpentin tubulaire ou un faisceau de tubes. Cela justifie l'appellation four tubulaire généralement donnée à ce type d'appareil. FOURS INDUSTRIELS Selon l'effet de l'apport de chaleur au fluide de procédé, on peut distinguer : 1- les fours de réchauffage de fluide sans changement d'état physique: Exemple: • fours des unités de reformage catalytique ou d'hydrotraitement 2- les fours de réchauffage de liquide avec vaporisation partielle: Exemple: four de distillation atmosphérique ou sous-vide de pétrole brut 3- les fours de réchauffage de fluide avec réaction chimique: Exemple: • vapocraquage (fabrication d'éthylène) • reformage à la vapeur (fabrication d'hydrogène). 08/01/2020 PRINCIPAUX TYPES DE FOURS Il existe une grande variété de fours tubulaires qui diffèrent notamment par leur géométrie. On peut citer ces deux types: 1- FOURS CYLINDRIQUES VERTICAUX 2- FOURS CABINES À TUBES HORIZONTAUX PRINCIPAUX TYPES DE FOURS FOURS CYLINDRIQUES VERTICAUX 08/01/2020 PRINCIPAUX TYPES DE FOURS FOURS CABINES À TUBES HORIZONTAUX Constituants d’un four Les faisceaux tubulaires Le supportage des faisceaux tubulaires Le garnissage des parois du four Des bruleurs Un réchauffeur d’air Un système de tirage Des ramoneurs Registre Cheminée Les principaux éléments constituant un four sont: 08/01/2020 Choix du types de fours Le choix d'un type de four dépend principalement des facteurs suivants : Nature uploads/Finance/ dimensionnement-des-equipements-petochimiques-saied-mioud.pdf