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LES ÉQUIPEMENTS LES ÉCHANGEURS SUPPORT DE FORMATION Cours EXP-PR-EQ120 Révision

LES ÉQUIPEMENTS LES ÉCHANGEURS SUPPORT DE FORMATION Cours EXP-PR-EQ120 Révision 0.1 Exploration & Production Les Équipements Les Échangeurs Support de Formation EXP-PR-EQ120-FR Dernière Révision: 16/04/2007 Page 2 de 58 LES ÉQUIPEMENTS LES ÉCHANGEURS SOMMAIRE 1. OBJECTIFS.....................................................................................................................4 2. LES FONCTIONS DES ECHANGEURS .........................................................................5 3. LE FONCTIONNEMENT DES ECHANGEURS ...............................................................6 3.1. RAPPELS DE THEORIE...........................................................................................6 3.1.1. La conduction....................................................................................................6 3.1.2. La convection ....................................................................................................8 3.1.3. La radiation.......................................................................................................9 3.1.4. La chaleur latente..............................................................................................9 3.1.5. La température..................................................................................................9 3.1.6. Comparaison entre les deux modes de transfert de chaleur ...........................10 3.2. DÉFINITIONS .........................................................................................................11 3.2.1. Définition d’un échangeur................................................................................11 3.3. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UN ECHANGEUR TUBULAIRE ................12 3.4. EXERCICES ...........................................................................................................14 4. LES DIFFERENTS TYPES D’ECHANGEURS ..............................................................16 4.1. LES ÉCHANGEURS À PLAQUES..........................................................................16 4.2. LES ÉCHANGEURS TUBULAIRES........................................................................19 4.2.1. Principe des échangeurs tubulaires ................................................................19 4.2.1.1. Échangeurs tubulaires à contre-courant ....................................................22 4.2.1.2. Échangeurs tubulaires a courant parallèle .................................................23 4.2.1.3. Échangeurs tubulaires à cross flow............................................................24 4.2.2. Les échangeurs à faisceau tubulaire...............................................................25 4.2.3. Les échangeurs type KETTLE (AKT) ..............................................................27 4.2.4. Les échangeurs à tête flottante .......................................................................28 4.2.5. Les échangeurs à tubes en "U" .......................................................................29 4.3. LES AÉRORÉFRIGÉRANTS ..................................................................................30 4.3.1. Aéroréfrigérants à air induit .............................................................................32 4.3.2. Aéroréfrigérants à air forcé..............................................................................33 4.4. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DES DIFFERENTS TYPES..........................34 4.4.1. Échangeurs à plaques.....................................................................................34 4.4.2. Échangeurs tubulaires.....................................................................................35 4.4.2.1. Échangeur tubulaire ...................................................................................35 4.4.2.2. Échangeur en tube U .................................................................................36 4.4.2.3. Échangeur à faisceau tubulaire horizontal .................................................37 4.4.2.4. Échangeur à faisceau tubulaire vertical .....................................................38 4.4.3. Aéroréfrigérants...............................................................................................39 4.5. EXERCICES ...........................................................................................................40 5. REPRESENTATION ET DONNÉES..............................................................................43 5.1. PLAN DE CIRCULATION DES FLUIDES (PCF / PFD)...........................................43 5.2. PIPING & INSTRUMENTATION DIAGRAM (PID) ..................................................45 Exploration & Production Les Équipements Les Échangeurs Support de Formation EXP-PR-EQ120-FR Dernière Révision: 16/04/2007 Page 3 de 58 6. PARAMETRES DE FONCTIONNEMENT .....................................................................47 7. CONDUITE DES ÉCHANGEURS .................................................................................48 7.1. DÉMARRAGE ET ARRÊT D’UN ÉCHANGEUR .....................................................48 7.2. MAINTENANCE 1er DEGRÉ ...................................................................................49 7.2.1. Échangeur à plaques ......................................................................................49 7.2.2. Échangeur tubulaire ........................................................................................49 8. TROUBLESHOOTING...................................................................................................50 8.1. GENERALITES .......................................................................................................50 8.2. CONTRÔLE DES ÉCHANGEURS TUBULAIRES ..................................................50 8.3. EXERCICES ...........................................................................................................52 9. GLOSSAIRE..................................................................................................................53 10. SOMMAIRE DES FIGURES........................................................................................54 11. SOMMAIRE DES TABLEAUX .....................................................................................56 12. CORRIGÉ DES EXERCICES ......................................................................................57 Exploration & Production Les Équipements Les Échangeurs Support de Formation EXP-PR-EQ120-FR Dernière Révision: 16/04/2007 Page 4 de 58 1. OBJECTIFS Exploration & Production Les Équipements Les Échangeurs Support de Formation EXP-PR-EQ120-FR Dernière Révision: 16/04/2007 Page 5 de 58 2. LES FONCTIONS DES ECHANGEURS Les échangeurs, sont des équipements permettant d’abaisser,de relever la température d’un fluide, ou de modifier son état physique Dans les procédés pétrochimiques, il est nécessaire de modifier la température où l'État d'un fluide pour le séparer le distiller, le stocker et le transporter. Pour cela on doit lui ajouter ou lui enlever une certaine quantité de chaleur via des équipements de transfert de chaleur. ÉCHANGEUR, CONDENSEUR, RÉCHAUFFEUR Symbol Description Unit Q Heat transferred kJ T1 Temperature at Position 1 °C T2 Temperature at Position 2 °C TS Surface temperature °C t1 Cold fluid temperature at Position 1 °C t2 Cold fluid temperature at Position 2 °C i Initial °C f Final °C ∆T Differential temperature °C ∆Tm Logarithmic Mean Temperature °C Tsur Temperature of surroundings K k Thermal conductivity W / m K A Surface aerea m² x Thickness m h Convention heat transfer coefficient W / m² °C U0 Overall heat transfer coefficient W / m² °C ε Emissivity - σ Stephan-Boltzman constant W / m² K W Mass flow rate kg / h Cp Heat capacity kJ / kg K µ Dynamic viscosity (1 cP = mPa . s) Pa . s λ Latent heat of vaporisation kJ / kg V Velocity m / s Table 1: Liste des symboles utilises Exploration & Production Les Équipements Les Échangeurs Support de Formation EXP-PR-EQ120-FR Dernière Révision: 16/04/2007 Page 6 de 58 3. LE FONCTIONNEMENT DES ECHANGEURS 3.1. RAPPELS DE THEORIE 3.1.1. La conduction Les atomes se transmettent la chaleur de proche en proche Figure 1: La conduction C’est le mode de propagation à l’intérieur des solides, ou des fluides au repos Paramètres: Le flux de transfert de chaleur dépend de la conductivité thermique du produit. Exemple de conductivité des fluides i i e id i e i e e ed e h d d h d d d d d h h U 1 1 2 ln 1 1 1 + + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + + = λ U : Coefficient global de transfert de chaleur, Wm-2K-1 he : Coefficient de transfert de chaleur du film externe, Wm-2K-1 hi : Coefficient de transfert de chaleur du film interne, Wm-2K-1 hed : Coefficient d’encrassement du film externe, Wm-2K-1 hid : Coefficient d’encrassement du film interne, Wm-2K-1 λ : Conductivité thermique, Wm-2K-1 de : Diamètre externe des tubes, m di : Diamètre interne des tubes, m Exploration & Production Les Équipements Les Échangeurs Support de Formation EXP-PR-EQ120-FR Dernière Révision: 16/04/2007 Page 7 de 58 Fluide hed , hid (W / m² K) Eau de rivière 3 000 – 12 000 Eau de mer 1 000 – 3 000 Eau refroidissement (tour) 3 000 – 6 000 Eau de ville (dureté faible) 3 000 – 5 000 Eau de ville (dureté élevée) 1 000 – 2 000 Condensats de vapeur d’eau 1 500 – 5 000 Vapeur d’eau (sans traces) 4 000 – 10 000 Vapeur d’eau (traces d’huiles) 2 000 – 5 000 Saumure 3 000 – 5 000 Air, gaz industriels 5 000 – 10 000 Fumées 2 000 – 5 000 Vapeurs organiques 5 000 Liquides organiques 5 000 Hydrocarbures légers 5 000 Hydrocarbures lourds 5 000 Liquide organique bouillant 2 5000 Liquide chauffage 5 000 Solutions salines 3 000 – 5 000 Table 2: Exemples de conductivité des fluides Exploration & Production Les Équipements Les Échangeurs Support de Formation EXP-PR-EQ120-FR Dernière Révision: 16/04/2007 Page 8 de 58 Plus la surface d’échange est importante, plus le transfert de chaleur est important. Exemple des valeurs de conductivité thermique des materiaux Matériaux Conductivité thermique (W·m-1·K-1) Valeurs pour une température de 20 °C Aluminium (pureté de 99,9%) 237 Carbone 129 Platine 71,6 Acier doux 46 Acier inoxydable (18% Chrome, 8% Nickel) 26 Eau 0,6 Bois de pin (parallèle aux fibres) 0,36 Bois de pin (perpendiculaire aux fibres) 0,15 Air (100 kPa) 0,0262 3.1.2. La convection Les molécules sont en mouvement. Les molécules chaudes se mélangent avec les molécules froides et leurs transmettent de la chaleur : Figure 2: La convection C’est le mode de propagation de la chaleur à travers des liquides et des gaz. Exploration & Production Les Équipements Les Échangeurs Support de Formation EXP-PR-EQ120-FR Dernière Révision: 16/04/2007 Page 9 de 58 Paramètres: Le flux du transfert de chaleur dépend de la nature chimique du produit. Plus la surface d’échange est importante, plus le transfert de chaleur est important. Plus l’écoulement est turbulent, plus le transfert de chaleur est rapide. 3.1.3. La radiation La lumière du soleil est une forme de radiation qui est rayonnée à travers l’espace jusqu'à à notre planète. Figure 3: La radiation : Le soleil transfère sa chaleur à travers des millions de kilomètres sans aucune aide de support quelconque. La radiation est la faculté d’augmenter ou de diminuer la température d’un solide sans le toucher. La congélation est une autre forme de radiation 3.1.4. La chaleur latente C’est la quantité de chaleur nécessaire à une unité de masse pour qu’il change de d’état à température et pression constante Il existe cependant de exceptions par exemple Lorsque de la glace fond elle chauffe jusqu'à atteindre 0 °C, mais restera a cette température tant que l’ensemble de la glace n’aura pas fondue, après seulement la température s’élèvera. 3.1.5. La température C’est la mesure d’intensité de la chaleur de chaque substance. Elle est mesurée sur quatre échelles différentes Centigrade Kelvin Fahrenheit Rankine Exploration & Production Les Équipements Les Échangeurs Support de Formation EXP-PR-EQ120-FR Dernière Révision: 16/04/2007 Page 10 de 58 La mesure est réalisée par des thermomètres ou des pyromètre pour la très haute température Centigrade (Celsius) Kelvin Fahrenheit Rankine Eau gelée en celsius 0 - 273,15 32 491.67 Température du corps humain 36 310 98 556.47 Table 3: Exemples de température 3.1.6. Comparaison entre les deux modes de transfert de chaleur Le transfert de chaleur par convection est beaucoup plus rapide que le transfert de chaleur par conduction Pour illustrer ceci on peur prendre l’exemple d’une tasse de café : Si on laisse la tasse se refroidir toute seule, l’échange de chaleur se fera par conduction et lentement, il y a plusieurs corps et fluide qui échange de la chaleur : le café vers la tasse, le café vers l’atmosphère. Si vous agitez le café avec une cuillère, et que vous créez une turbulence l’échange se fera par convection et la tasse se refroidira plus vite. Ceci démontre bien que les turbulences engendrées par la cuillère vont permettre un refroidissement plus rapide. Exploration & Production Les Équipements Les Échangeurs Support de Formation EXP-PR-EQ120-FR Dernière Révision: 16/04/2007 Page 11 de 58 3.2. DÉFINITIONS 3.2.1. Définition d’un échangeur Un échangeur peut avoir différentes fonctions dans une installation et avoir d’autres noms : ÉCHANGEUR Il permet le transfert de calorie d’un fluide vers un autres sans changement d’état de ces uploads/Finance/ les-echangeurs-pdf.pdf