Laboratoire Catalyse & SpectrochimieLaboratory Catalysis & Spectrochemistry
ENSICAEN, Universit de Caen, CNRS6 bd du Marchal Juin, 14050 Caen, France
http:/www-lcs.ensicaen.fr
Jean-Pierre GILSONTl.: 02.31.45.28.15 email: [email protected]
Introduction la Distillation2CAD2: CM = 10
IntroductionProcds de Sparation
But du Cours
JPG, 2CAD2, 2012-132
Laboratoire (Batch)
Industrie(Batch + Continu)
Taille: : ~15 m x H: 50 mDbit: ~160 000 b/j, i.e. 25 400 m3/j
E. Sorel, La Rectification de lAlcool, 1893
Plan du Cours Procds de Sparation
I. Introduction: Ncessit, types de sparations, Labo vs. Industrie,II. Aspects de la distillation: Bilan matire, nergie, phnomnes de transport
quilibres Liquide - VapeurI. ThermodynamiqueII. Simulations des quilibres
Distillation Flash & ContinueI. Distillation FlashII. Distillation ContinueIII. Phnomnes de TransportIV. quipement
Conception & Utilisation de ColonnesI. Bilans MatiresII. Temprature de TteIII. Temprature de FondIV. Temprature dAlimentationV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux (MacCabe-Thiele)
Applications en Raffinage PtrolierI. Distillation atmosphriqueII. Distillation sous vide
JPG, 2CAD2, 2012-133
Bibliographie1. E. Sorel, La Rectification de lAlcool, (1894), Gauthier-Villars et fils, Paris
2. J-P. Wauquier, Le Raffinage du Ptrole 2. Procds de Sparation, (1998), ditions Technip, Paris
3. J. Vidal, Thermodynamique: Application au Gnie Chimique & lIndustrie Ptrolire, (1997), ditions Technip, Paris
4. D. Morvan, Les Oprations Unitaires, (2009), Ellipses Marketing, Paris
5. J. Gmehling, B. Kolbe, M. Kleiber & J. Rarey, Chemical Thermodynamics for Process Simulation, (2012), Wiley-VCH, Weinheim
6. H. Kister, Distillation Design, (1992), McGraw-Hill, New York
7. P.C. Wankat, Separation Process Engineering, 3rd ed., (2011), Prentice-Hall, Upper Saddle River
8. J. D. Seader & E. J. Henley, Separation Process Principles, (1998), J. Wiley & Sons, Chichester
9. M. Chabanel & B. Illien, Thermodynamique Chimique, (2011), Ellipses, Paris
10. J.M. Prausnitz, R.N. Lichtenthaler & E. Gomez de Azevedo, Molecular Thermodynamics of Fluid-Phase Equilibria, 3rd ed., (1999), Prentice-Hall, Upper Saddle River
11. W. McCabe, J. Smith & P.Harriott, Unit Operations of Chemical Engineering, 7th ed., (2004), McGraw-Hill, New York
12. R.H. Perry & D.W. Green, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 8th ed., (2008), McGraw-Hill, New York
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Logiciel Base de Donnes
1. ChemSep (www.chemsep.com): Gratuit en version lite. Effectue toutes les oprations dcrites dans ce cours
2. Dortmund Data Bank (www.ddbst.de):Base de donnes thermodynamiques et logiciel accessible gratuitement (versions explorer et acadmique lite)
JPG, 2CAD2, 2012-135
Procds de SparationI. Introduction
Sparations: Pourquoi ?a. Fractionner: nenvoyer vers des units industrielles que les coupes ncessaires
b. Recycler: les procds de conversion (catalytique) nont pas toujours une conversionmaximum et la slectivit dsire; on recycle ce qui nest pas aux spcifications
c. Purifier: les oprations en aval ont des exigences (contaminants, polluants) surleurs charges
JPG, 2CAD2, 2012-136
a. & c. b.
Procds de SparationI. Introduction
Sparations: Comment ?
JPG, 2CAD2, 2012-137L = Liquide, V = Vapeur, G = Gaz, S = Solide
Procds de SparationI. Introduction
Sparations: Utilisation & Maturit
JPG, 2CAD2, 2012-138
Procds de SparationI. Introduction
JPG, 2CAD2, 2012-139
P
t
r
o
l
e
B
r
u
t
(
F
r
a
c
t
i
o
n
a
t
i
o
n
n
e
r
)
Produits (Purifier)Procds (Recycler)
Procds de SparationI. Introduction
Capacits de Distillation de Ptrole BrutRaffinerie Location Barrels per Day*
Jamnagar (Reliance Industries Limited)
Jamnagar, India 1 240 000
Paraguana (PDVSA)Paraguan, Falcon, Venezuela
940 000
Ulsan (SK Energy) Ulsan, South Korea 850 000
GS Caltex Yeosu Refinery (GS Caltex)
Yeosu, South Korea 730 000
ExxonMobil Singapore 605 000
Port Arthur (Motiva Enterprises, i.e.RD Shell & Saudi Aramco)
Port Arthur, Texas, USA 600 000
Baytown (Exxon Mobil) Baytown, TX, USA 572 500
Ras Tanura (Saudi Aramco) Saudi Arabia 550 000
S-Oil Ulsan (S-Oil) Ulsan, South Korea 503 000
Marathon Oil (Marathon Petroleum)
Garyville, LA 490 000
Pernis (RD Shell) Pernis, Pays-Bas 416 000
Antwerp (Total) Anvers, Belgique 360 000
Normandie (Total) Gonfreville, France 205 000JPG, 2CAD2, 2012-1310 *: 1 barrel = 159 l; par 6,25 pour convertir en m3
Procds de SparationII. Aspects de la Distillations
Distillation: Paramtres ? Sparation par EQUILIBRE: Thermodynamique & Transfert de Matire
Sparation par CHAUFFAGE: Thermodynamique & Transfert de Chaleur
Fonctionnement en CONTINU: Bilan & Transfert de Matire
Dimension INDUSTRIELLE: Intgration sur site, Contrle, conomie
JPG, 2CAD2, 2012-1311
Complexit !
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
1. Rappel de Formules: Corps Pur: Soit la transformation T & P constantes dans un systme ferm
Evolution ( ) si dGTot < 0, soit i > i
Equilibre entre phases si dGTot = 0, soit i = i, i.e. galit des i de
chaque composant i dans toutes les phases.
Relation de Clapeyron:
Clausius-Clapeyron:
Mlanges:
Loi de Dalton (Gaz Parfaits):
Loi de Raoult (Solution idale):
Loi de Henry (Solution idale dilue):
JPG, 1MA1C1, 2012-1312
i
i+dni
-dni
Nombre de variables - contraintes 2 pour T & PEquations chimiques indpendantes Autres conditions imposesConstituants Phases
Degrs de Libert
( c r00 2
: k 2) n Variance v= + 1=1
dP HdT T V
=
0
00
ln P HP R T T
1 1=
et .Tot i i i Toti
P P P y P= =*
.A A AP x P=
.A A AP x K=
quilibres L - VI. Thermodynamique
2. Corps Pur (ex. CO2)
JPG, 2CAD2, 2012-1313
Volume Molaire (intensif)
quilibres L - VI. Thermodynamique
2. Corps Pur (ex. H2O)
JPG, 2CAD2, 2012-1314
quilibres L - VI. Thermodynamique
2. Corps Purs: H2O
JPG, 2CAD2, 2012-1315
Courbe de tension de vapeurPointTriple PointCritique
Chaleur Sensible
Chaleur Latente
Dpenses & Pertes nergtiquesDistiller est Energivore !
1 23 4
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
3. Mlanges Binaires: xi yi: sauf dans le cas dun Azotrope (+ ou -) avec:
xi fraction molaire de i en phase liquide
yi fraction molaire de i en phase vapeur
zi fraction molaire de i (phase liquide + vapeur)
JPG, 2CAD2, 2012-1316
Bulle
Rose
Ligne Conodale
( )0 0 0 .B BA AP P P P x= + +( )
0 0
0 0 0.
.
BA
BA A A
P PPP P P y
=
+
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
3. Mlanges Binaires: Diagramme T-H: les lignes isothermes courbes des T-H des constituants
Evolution de T en fonction de la Chaleur absorbe
JPG, 2CAD2, 2012-1317
Corps Pur : n-Butane Mlange Binaire
OA (A, A): le liquide chauffe (Chaleur Sensible)AB (AB, AB): vaporisation (Chaleur Latente) Remplacement des paliers par des courbes
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
JPG, 2CAD2, 2012-1318
Principe de la Distillation (Batch)
T1: T1 < TbA&B, x1 = x2T2: bullition commence,composition de la vapeur(distillat), enrichie en B est y2
T3: T3 > TbB & T3 < TbA, x1 = x2La vapeur (distillat) est enrichie enB et les compositions x3 & y3 sedplacent vers la droite p/ T2
T4: T4 = TbA, x1 = x2La dernire goutte de liquide sevaporise et sa composition, y4, est Apur
A & B purs: une dtapes (Plateaux) est ncessaire. Plus facile de mlanger que de sparer ! La composition de la vapeur (distillat) change goutte goutte, de y2 y4 A la fin de la distillation, la composition du distillat est identique la solution de dpart
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
Rgle du Levier
JPG, 2CAD2, 2012-1319
- Systme binaire de composition 1
- A la Tconodale, la composition est: liquide: 2 vapeur: 3
- Rgle du levier:
Vapeur iciLiquide 0,25ab=
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
Principe de la Distillation Fractionne
JPG, 2CAD2, 2012-1320
Dpart:xA = 0,8 & xB = 0,2
R = RsiduD = Distillat
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
JPG, 2CAD2, 2012-1321
Principe de la Distillation Fractionne - Rsum: E = A+B+C+D
Distillation en 4 Plateaux
B concentr en D4: xB = 0,2 0,8
A concentr en R1: xa = 0,8 0,95
R2 & R3 intermdiaire, peu utiles
Sparation totale: Plateaux ! (Plus facile de mlanger [S ] que de sparer [S ])
Rendements + Succession dtapes de Chauffe/Refroidissement !
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
En pratique au Laboratoire: Colonne de Fractionnement (Vigreux)
JPG, 2CAD2, 2012-1322
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
JPG, 2CAD2, 2012-1323
En pratique: Fractionnement (Rectification) Discontinu
DFINITIONSDistillatVapeur condense enrichie en llment le plusvolatil
Rsidu (Fond)Reste du bouilleur, appauvri en compos le plusvolatil
BILANS MATIREGlobal
F = W +D1 +D2 +D3 + Pertes
Composant VolatilFxf = Wxw + D1xd1 + D2 xd2 + Dxd3 +Pertes
VARIABLESTaux de Reflux
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
Cas des Mlanges Azotropiques:
On butte sur lAzotrope !
Formellement: de 2 Mlanges: A-Az + B-Az
JPG, 2CAD2, 2012-1324
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
JPG, 2CAD2, 2012-1325
AZEOTROPES: Composition Liquide (x) vs. Vapeur (y)
Diagramme de McCabe-Thiele
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
Rsum: Idal Dviation - Azotropie
JPG, 2CAD2, 2012-1326
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
Rsum: Azotropie
JPG, 2CAD2, 2012-1327
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
JPG, 2CAD2, 2012-1328
4. Mlanges Ternaires:
Donnes dquilibre reportes sur un Triangle quilatral
Chaque point dans le triangle (R, S) y/c artes (L, P, Q) & sommets (A, B, C) reprsente une composition du mlange
La des longueurs des abaisses dun point intrieur (eg. R) sur les 3 cts est gale la hauteur du triangle = Cste
Pour chaque point: xA + xB + xC = Cste
LMNO-OPQ : Courbe (binodale) de Saturation ou Envelope de Solubilit de ABC, i.e. dlimite la zone dimmiscibilit R: lintrieur de la zone dimmiscibilit; se scinde en 2
phases de composition M & P (ligne dquilibre ouconodale)
O: Point Critique ou Point de Plissement (Plait Point) de la binodale
Calculs de VARIANCE !
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
5. Mlanges Complexes: les charges & produits ptroliers contiennent une grandevarit dhydrocarbures (P, N, A, O) de poids molculaire trs variable (C1C100+).Lapparition de charges renouvelables (biomasse) va encore complexifier la situation(oxygns). Il est inconcevable de connaitre la nature chimique de chaque constituant.
JPG, 2CAD2, 2012-1329
PI = TBulle
PF = TRose
On peut recueillir a & b ~pursOn recueille des coupes entre Tx-Ty*
TxTy
*: on ne peut plus recueillir a, b, c, d, purs
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
Mthodes dvaluation des Mlanges complexes: Mthodes standardises (ASTM, ISO, API) qui sont soit rapides et peu prcises ou lentes et (plus) prcises
Mthode Distillation Flash (FC*): sparation la plus simple, un plateau (routine) - *:Flash Curve
JPG, 2CAD2, 2012-1330
Discontinu (Batch) ou Continu (F, z) La charge est chauffe sous PZ, une TZ1 Dtente (isenthalpique)dans le Ballon de Flash (Flash Drum) Vapeur enrichie en volatils & Liquide enrichi en lourds On rpte une nouvelle TZ2 et sous PZ On peut recommencer une P diffrente
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
JPG, 2CAD2, 2012-1331
Mthode Distillation Flash (FC): On peut mettre en CASCADE (Srie) des Ballonsde Flash P (ou T) constante pour amliorer les sparations Consommation dEnergie !
Diagramme T, x dj rencontr Meilleure sparation car plus de plateaux Cot important: Chauffer & Refroidir Retenons le principe !
P = Constante
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
Mthode True Boiling Point (TBP): Sparation plus longue, plus prcise
JPG, 2CAD2, 2012-1332
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
Comparaison True Boiling Point (TBP): mlange 4 Constituants vs. Ptrole Brut
JPG, 2CAD2, 2012-1333
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
Slectivit (S) de Sparation: Overlap & Gap des Mlanges complexes
JPG, 2CAD2, 2012-1334
a: courbe TBP dun mlange binaire
S = 1
b: courbe ASTM dun mlange binaire
S =
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
Slectivit (S) de Sparation: Overlap & Gap des Mlanges complexes
JPG, 2CAD2, 2012-1335
c: Courbe ASTM dun Brut PtrolierS = Overlap
d: Courbe ASTM dun Brut PtrolierS = Gap
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
Comparaisons FC, ASTM & TBP
JPG, 2CAD2, 2012-1336
TBP: Sparation plus prononce (TTBP > TFC ) et donc de meilleure qualit
quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique
Distillation Simule: Analyse Chromatographique en Phase Gaz
JPG, 2CAD2, 2012-1337
talonnage par n-paraffines de Tb connues La colonne GC spare par Tb Mesurer laire entre 2 paraffines Reporter sur un diagramme T = f(% Distill) ASTM D 2887: fractions dont Tb < 538C ASTM D 3710: fractions dont Tb < 250C
Remarque:- Il nest pas encore possible danalyser compltement
(molculairement) les fractions ptrolires- Mme si cela tait possible, la quantit disomres
obtenus ncessiterait un regroupement par familles(lumping)
quilibres Liquide - VapeurII. Simulation
JPG, 2CAD2, 2012-1338 Chemistry Data Series, Dechema
Distillation ContinueI. Distillation Flash
1. Rsultat Dsir: en continu !
JPG, 2CAD2, 2012-1339
F (Feed)z (Composition)Pi (Pressure)Ti (Temperature)
FD (Distillate)x (Composition)PDi (Pressure)TDi (Temperature)
Distillation ContinueI. Distillation Flash
2. Distillations Flash en cascade rarranges:
JPG, 2CAD2, 2012-1340
T
Distillation ContinueI. Distillation Flash
JPG, 2CAD2, 2012-1341
3. Cascades de Flash P Constante
Botes Bleues Ballons de Flash Liquide : doit tre rchauff Vapeur : doit tre refroidie
L & V changent Chaleur changeur de Chaleur
L & V changent Matire Exit changeur de Chaleur
Systme en mouvement: Condenser une partie de V1 & Recycler Vaporiser une partie de L5 & Recycler
+ Volatil
- Volatil
Distillation ContinueI. Distillation Flash
4. Distillations Batch: Rectification & Stripping
JPG, 2CAD2, 2012-1342
Rectification Seuls les composs lgers sont rcuprs eg.: Production dalcools (Calvados)
Stripping Seuls les composs lourds sont rcuprs eg.: Enlever de (petites quantit de) solvant Peu utilis industriellement (casser des
azotropes par ajout dun 3ime composant eg.: MeOH/Tol + Et3N)
Distillation ContinueII. Distillation Continue
1. Description: Nous venons de dcrire le Principe de la Distillation Continue !
http://www.hyper-tvt.ethz.ch/distillation-scheme.phpJPG, 2CAD2, 2012-1343
TColonne
Distillation ContinueII. Distillation Continue
1. Description: Instrumentation & Rgulation de la colonne
JPG, 2CAD2, 2012-1344
Distillation ContinueII. Distillation Continue
2. Bilans Matire & Thermique: Tour de Stabilisation d essence Charge: Essence (Gasoline) ~ C5-10 - Essence Brute: contient encore du C3-4 Stabilisation: Distiller Essence Brute (14,34 t/h)
Distillat: C3-4 , Essence Sauvage (4,32 t/h)
Rsidu: C5-10 , Essence Stabilise (10,02 t/h) Base pour Carburant (Spcification RVP)
JPG, 2CAD2, 2012-1345
Bilan Thermique- Chaleur reue
Enthalpie dalimentation Chaleur fournie par le rebouilleur Enthalpie du reflux froid
- Chaleur extraite Enthalpie des vapeurs de tte (D + Reflux) Enthalpie du Rsidu
Distillation ContinueII. Distillation Continue
Schma:
JPG, 2CAD2, 2012-1346
Corps
Cls
d & e: Corps cls de la Sparation
Distillation ContinueII. Distillation Continue
3. Rglage dune colonne: Tour de Stabilisation d essence a) But de la Stabilisation:
Ajuster la tension de vapeur de lessence stabilise la norme en vigueur (Reid Vapor Pressure)
Veiller ce que lessence sauvage ne contienne pas de C5
b) Moyens disponibles:
Tour de Stabilisation permettant de ttaiter un certain Dbit horaire de charge
Pression peut tre ajuste
Temprature peut tre ajuste
Taux de Reflux peut tre ajust
c) Influence de P
PMIN : Le Distillat doit pouvoir tre condens totalement la T de leau de refroidissement disponible dans le condenseur (Tension de vapeur de l essence sauvage ~30C : 10 kg/cm2, i.e. 9,8 bar
Si la pression dopration est > PMIN, les TBULLE augmentent et donc la TTOUR donc, peu de libert au niveau de P
JPG, 2CAD2, 2012-1347
Distillation ContinueII. Distillation Continue
3. Rglage dune colonne: Tour de Stabilisation d essence d) Influence de T: - TTETE, T en tte de tour rgle la qualit du produit de tte, le Distillat (essence
sauvage). Ces vapeurs sont en quilibre avec le liquide du premier plateau, donc la TROSEE. Enagissant sur cette T, on agit sur la composition du Distillat
T : le Distillat salourdit (senrichit en produits moins volatils); son point sec T: le Distillat sallge (sappauvrit en produits plus volatils); son point sec Rglage de la TTETE: en agissant sur le dbit de reflux froid qui, extrayant plus ou
moins de calories au systme, fait varier TTETE Qualit de lessence sauvage
- TFOND, T en fond de tour, rgle la qualit du produit de fond , le Rsidu (essence stabilise). Ce liquide est en quilibre avec la vapeur du dernier plateau, donc la TBULLE. En agissant sur cette T, on agit sur la composition du Rsidu
T : le Rsidu salourdit, sa teneur en butane diminue; sa tension de vapeur T: le Rsidu sallge, sa teneur en butane augmente; sa tension de vapeur Rglage de la TFOND: en agissant sur le dbit de produit chauffant (eau en
gnral) dans le rebouilleur
JPG, 2CAD2, 2012-1348
Distillation ContinueII. Distillation Continue
3. Rglage dune colonne: Tour de Stabilisation d essence e) Influence du Reflux: La chaleur fournie au systme provient du rebouilleur. Elle sert chauffer (chaleur sensible), vaporiser (chaleur latente) le produit distiller et vaporiser le reflux froid inject en tte de tour.
Reflux: extrait du systme une quantit de chaleur excdentaire p/ quantitncessaire au chauffage & vaporisation du distillat. Comme TTETE (= TROSEE) &TFOND (= TBULLE) sont constantes, le dbit du reflux est variable variation du fluxde calories fourni par le rebouilleur
Reflux externe & interne: permet le transfert de matire (lavage des vapeurs) etde chaleur. Cest la cl du Fractionnement.
Taux de Reflux: L/D permet de contrler la Slectivit et le nombre dtages dela Distillation
JPG, 2CAD2, 2012-1349
Normand, Fig. 26 & 27, p. 149
Distillation ContinueII. Distillation Continue
3. Rglage dune colonne: Tour de Stabilisation d essence e) Influence du Reflux:
JPG, 2CAD2, 2012-1350
L0: Reflux externe, dbit molaireL: Reflux interne (Rectification)L: Reflux interne (Strippage: L + LA)
+ riche en V
+ riche en L
Distillation ContinueII. Distillation Continue
Exemple industriel: Dbutaniseur
JPG, 2CAD2, 2012-1351
Distillation ContinueII. Distillation Continue
Exemple industriel: Dbutaniseur
JPG, 2CAD2, 2012-1352
Distillation ContinueIII. Phnomnes de Transport
1. Types de Phnomnes - Gnralisation Matire - Loi de Fick (2ime) :
Chaleur - Loi de Fourier:
Impulsion - Loi de Newton:
En commun: Transport dune quantit physique (Matire, Chaleur, Impulsion) travers ungradient (Concentration, Temprature, Vitesse linaire) afin dliminer ce dernier.
2. Transport de Matire2 mcanismes sont responsables du transport de matire:
Diffusion Molculaire: mouvement spontan scopique dans une phase donne (g, l, s); ilest assez lent. Voir ci-dessus
Diffusion Turbulente: mouvement macroscopique alatoire dun fluideLa Diffusion Molculaire entre 2 phases (g, l) joue un rle important en distillation. Elle se passe linterface des 2 phases et conditionne les choix dquipements.
Les coefficients de Diffusion Molculaire [cm2/sec] sont de lordre de: Gaz: Di = 10-1
Liquides: Di = 10-5
Solides: Di = 10-10 - 10-13
JPG, 2CAD2, 2012-1353
2C Ct
D =
2T Tt
=
2uu
t =
CCCC: ConcentrationDDDD: DiffusivitTTTT: Temprature: Conductivit thermiqueuuuu: Vitesse linaire: Viscosittttt: Temps
2 2 222 2 2
Laplacienx y z = + + =
Distillation ContinueIII. Phnomnes de Transport
3. Combinaison Transport de Matire & Chaleur
Phnomnes complexes (Turbulences): Fick & Newton ( linaires ) se compliquent
Introduction de Flux (J), coefficients de transfert (k, Matire & Chaleur) et corrlations
(nombres sans dimensions, e.g. Re), plus utiles Gnie Chimique
Qualitativement: en distillation, on va favoriser les changes, contacts (Matire Ji &
Chaleur JqL, JqV) dans les films (L & V) lInterface L/V
JPG, 2CAD2, 2012-1354
TCol
, ChaleurMatire, , ,
Gradient de , Coefficient de Tr Concenansfert Tempraturetration
Interfac.( ).( )eq q TM M CJ k=
Distillation ContinueIV. Equipements
1. Rle Effectuer le plus efficacement possible le transfert de matire et de chaleur entre les
phases liquide & vapeur; ces transferts se passent aux interfaces et les quipement devront favoriser ltendue de celles-ci. En particulier, les quipements favoriseront:
temps de contact entre les phases
mlange appropri
2. Types de Colonnes Colonnes Plateau (TRAY):
JPG, 2CAD2, 2012-1355
Qualitatif ! Mtier de lIngnieur: rendre ces termes QUANTITATIFS
L & G scoulent contre-courant ou courant crois Colonne peut travailler sous Pression changes de Matire (& Chaleur) seffectuent sur des plateaux (Trays)
Contre-Courant Courant Crois
Distillation ContinueIV. Equipements
Colonnes TRAY: Types de plateaux
Valve Plate Sieve Plate
Bubble (Bell) Cap Plate
JPG, 2CAD2, 2012-1356
Ouverture variable Fonction de la vitesse ascendante du Gaz Se ferme si le flux gazeux est trop faible Empche le liquide de descendre trop rapidement
vers ltage infrieur
Ouverture fixe Turbulence accrue
Distillation ContinueIV. Equipements
JPG, 2CAD2, 2012-1357
Distillation ContinueIV. Equipements
Colonnes TRAY: Comparaisons
JPG, 2CAD2, 2012-1358
Distillation ContinueIV. Equipements
Colonnes Remplies (Packed):
JPG, 2CAD2, 2012-1359
L & G scoulent contre-courant Colonne peut travailler sous Pression changes de Matire (& Chaleur) seffectuent
sur les structures de remplissage (Packings)
Distillation ContinueIV. Equipements
PACKED Columns: Comparaisons
JPG, 2CAD2, 2012-1360
Distillation ContinueIV. Equipements
TRAYS vs. PACKED Columns: Comparaisons
JPG, 2CAD2, 2012-1361
TRAYS PACKED
Moins cher pour de petites colonnes ( < 0,6 m) Packings en cramique rsistent mieux aux
milieux corrosifs Moussage plus controllable
Fentre dopration plus troite Nettoyage difficile et coteux si contamination
par des particules solides lments assez fragiles lors de stress en T ou P
Consulter, par exemple:
- SULZER: http://www.sulzer.com/en/Products-and-Services/Separation-Technology/Distillation-and-Absorption/Distillation- KOCH-GLITSCH: http://www.koch-glitsch.com/masstransfer/pages/Products.aspx
Conception & Opration dune Colonne
Cahier des Charges Pour:
Concevoir (Design) de nouvelles colonnes
Conduire (Operate) des units existantes
Rparer/Corriger (Troubleshooting) des dysfonctionnements
Nous avons besoin de:
Bilans Matires
Temprature de Tte de Colonne
Temprature de Fond de Colonne
Temprature dAlimentation
Taux de Reflux & Nombre de Plateaux Mthode de McCabe-Thiele
Pour:JPG, 2CAD2, 2012-1362
Conception & Opration dune ColonneI. Bilans Matires
Colonne: Rectification dEssence Sauvage (cf. Distillation Continue) Charge: Essence Sauvage , i.e., Propane & Butane sous P = 20 bar
Propane: 35 vol %
Butane: 65 vol %
Spcifications de la Sparation:
Propane: < 1 vol % Butane
Butane: < 2 vol % Propane
Soient:
F: nombre de molcules dAlimentation (posons 100 molcules)
D: nombre de molcules de Distillat (Propane < 1 vol % Butane)
W: nombre de molcules de Rsidu (Butane < 2 vol % Propane)
zF: fraction molaire dun composant dan l Alimentation
xD: fraction molaire dun composant dan le Distillat
xW: fraction molaire dun composant dan le Rsidu
Bilan Global: D + W = F
Bilan par compos: D.xD + W.xW = F.zF = 100.zFo Propane: D.0,99 + W.0,02 = 100 x 0,35
o Butane: D.0,01 + W.0,99 = 100 x 0,65
ce qui donne: D = 34,02 & W = 65,98JPG, 2CAD2, 2012-1363
Conception & Opration dune ColonneI. Bilans Matires
Colonne: Rectification dEssence SauvageOn dresse ainsi le tableau suivant:
JPG, 2CAD2, 2012-1364
Alimentation Distillat Rsidu
F.zF zF D.xD xD W.xW xW
Propane 35 0,35 33,68 0,99 1,32 0,02
Butane 65 0,65 0,34 0,01 64,66 0,98
Bilan 100 1,00 34,02 1,00 65,98 1,00
Conception & Opration dune ColonneII. Temprature de Tte
Colonne: Rectification dEssence Sauvage: TTte = TRose du Distillat sous P = 20 bar ( cet endroit, vapeurs de D liquide du 1ier Plateau; ce Liquide= D aliment en reflux aprs condensation)
Raoult
TRose : v l, donc:
et:
que lon vrifie par approximations successives (rappel: P = 20 bar)
JPG, 2CAD2, 2012-1365
( )Pression du mlange Fraction Molaire du compos le + lger, A
A BP P x P x= + 1
( ) ( )
I Ivapeur, Aliquide,
I
A
.
. . ou et ( ) ( ) ou A BA B
Px x x x
PP P P Pyy yP P
y= = 1 = 1 1 = 1
.I II 1 ( ) ou encor au point de Roe: s e, T
BA
i
AR
K
iB
K
osei
PyP
yP KP y
1 1
=1+ = = + 1
TRose = 60C TRose = 55C
y K y/K y K y/K
Propane 0,99 1,1 0,9 0,99 1,01 0,98
Butane 0,01 0,54 0,02 0,01 0,51 0,02
0,92 1,00
Conception & Opration dune ColonneIII. Temprature de Fond
Colonne: Rectification dEssence Sauvage: TFond = TBulle du Rsidu sous P = 20 bar TBULLE: l v; la composition de cette vapeur:
et:
On procde de mme que prcdemment:
JPG, 2CAD2, 2012-1366
( )
vapeur, Aliquide, AII
I
. et .A BP Py x y xP P
= 1 = 1
( ) ( )I II ou . et en posant K: K . . . ou A B A B i ii
P Px x x K x
PK
Px+ =1 + 1 =1 + 1 = =11
TBulle = 100C TBulle = 98C
x K K.x x K K.x
Propane 0,02 1,75 0,035 0,02 1,70 0,034
Butane 0,98 1,00 0,98 0,98 0,99 0,970
1,015 1,004
Conception & Opration dune ColonneIV. Temprature dAlimentation
Colonne: Rectification dEssence Sauvage: linstallation est telle que la TAlimentation = 75C. Cette T est-elle > ou > TBulle de lAlimentation ?
On essaie TBulle = 85C qui est la TTte
K.x = 1,025 est proche de 1, donc TBulle de lAlimentation ~85C
A 75C et sous P = 20 bar, la Charge est Liquide
JPG, 2CAD2, 2012-1367
x K K.x
Propane 0,35 1,45 0,505
Butane 0,65 0,80 0,520
1,025
1. Introduction: la Slectivit de la Sparation est lie au Taux de Reflux & au Nombre de Plateaux. De nombreuses mthodes existent. Pour les Mlanges binaires, celle de McCabe-Thiele est la plus utilise
Warren Lee McCabe (1899 - 1982) & Ernest W. Thiele (1895 1993): 2 tudiants en Master & Doctorat au MIT (Chemical Engineering) en 1925
Autres Mthodes:
Ponchon-Savarit (plus rigoureuse mais plus difficile)
Mthodes numriques lquilibre (MESH): rsolution simultane des quations de:
M: Bilans Matires
E: Relations dquilibre entre lments finis en quilibre ( Stages )
S: Sommes sur les fractions molaires, i.e. forcer:
H: Bilans nergtiques & Enthalpiques (H)
Mthodes hors-quilibre (MERSHQ):
R: Transferts de Matire & Energie
Q: quations dquilibres
JPG, 2CAD2, 2012-1368
Conception & Opration dune ColonneV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux McCabe-Thiele
ii
x =1
Stages
hors-quilibre quilibre
Conception & Opration dune ColonneV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux McCabe-Thiele
1. Introduction: Caractristiques & Limitations de la Mthode de McCabe-Thiele:
Calcul du nombre de plateaux thoriques pour la sparation de mlanges binaires
Solution graphique base sur les diagrammes dquilibre (x-y), trs visuelle
Acceptable pour de nombreuses applications, populaire par sa simplicit (~couteau Suisse)
Valeur pdagogique, en brainstorming (remue-mninge) & on vite la Black-Box !
Manque de riguer d, inter alia, la non-utilisation des bilans enthalpies
P est suppose constante le long de toute la colonne
Base sur les hypothses de Lewis:
JPG, 2CAD2, 2012-1369
Conception & Opration dune ColonneV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux McCabe-Thiele
2. Hypothses de Lewis: - suppose Dbits Molaires des Flux Saturs Constants- implique Taux de Reflux & Rebouillage Constants
- valides si volatilits proches & mme famille chimique
- permet dliminer les quations de bilan enthalpiques
JPG, 2CAD2, 2012-1370
L L0L L + A
Taux de Reflux = L0/D = Cste
V V0V V +VA Taux de Rebouillage = V0/R = C
ste
Vo
Re
ctificatio
nE
pu
isem
en
t
Conception & Opration dune ColonneV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux McCabe-Thiele
3. Principe de la Construction Graphique de McCabe-Thiele:a) Donnes ncessaires:
Caractristiques de la Charge A, zA et son tat de vaporisation: VA & LA
Spcifications de la Sparation: xD & xR
quilibres l,v du Mlange trait sous la Pression opratoire (suppose constante) par le diagramme y x
Le taux de Reflux rf = L0/D
Ensuite on procde par tapes:
Zone de Rectification
Zone dpuisement (Stripping)
Combinaison des zones de Rectification & puisement
Zone dAlimentation
JPG, 2CAD2, 2012-1371
Conception & Opration dune ColonneV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux McCabe-Thiele
3. Principe de la Construction Graphique de McCabe-Thiele:b) Bilan en Zone de Rectification: en Tte de Colonne: y1 = xD si condenseur total
JPG, 2CAD2, 2012-1372
les quations de bilans liant les flux liquide etvapeur entre 2 plateaux p & p+1 scrivent:
V = L + D (avec L = L0)Vyp+1= Lxp+ DxD
soit:
si rf est fix, les dbits liquide et vapeur sontdtermins
Rectification Operating Line - Droite Bilan de Rectification, D
1
BR
1 avec , ,
et
D Dp p f
f Dp p
f f
p pL Dx L L Dxy x r y xV V D L D
ry x
r
Dx
r
L+ +
+1
= +
= ++1 +
+
1
= =
+ +
Conception & Opration dune ColonneV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux McCabe-Thiele
3. Principe de la Construction Graphique de McCabe-Thiele:b) Bilan en Zone de Rectification: Rectification Operating Line Droite Bilan de Rectification
JPG, 2CAD2, 2012-1373
La DBR:
- Passe par x = y = xD
- Pente:
- Ordonne lorigine:
ou f
f
r Lr V+1
D
f
x
r +1rf Reflux ~ total
(Distillation des livres de CP)
rf = 0aucun Reflux
Conception & Opration dune ColonneV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux McCabe-Thiele
3. Principe de la Construction Graphique de McCabe-Thiele:c) Bilan en Zone dpuisement (Stripping):
JPG, 2CAD2, 2012-1374
les quations de bilans liant les flux liquide etvapeur entre 2 plateaux q-1 & q et p+1 scrivent:
V = L + RLxq = Vyq-1+ RxR
soit:
si rb est fix, les dbits liquide et vapeur sontdtermins
Stripping Operating Line - Droite Bilan d'Epuisement, DBE
' ' '
,avec ,' ' ' '
et, b R
R R
q qb
q q b q
b
qL Rx V V R Rx
r
y x r
xy xr r
y xV V R V V1
1
1+1
+
=
= = =
Conception & Opration dune ColonneV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux McCabe-Thiele
3. Principe de la Construction Graphique de McCabe-Thiele:c) Bilan en Zone dpuisement (Stripping): Stripping Operating Line Droite Bilan d puisement
JPG, 2CAD2, 2012-1375
La DBE:
- Passe par x = y = xR
- Pente:
- Ordonne lorigine:
b
b
r
r
+1
R
b
x
r
Conception & Opration dune ColonneV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux McCabe-Thiele3. Principe de la Construction Graphique de McCabe-Thiele:
d)Raccordement des 2 Droites de Bilan: lintersection des droites bilans de Rectification (DBR) & dpuisement (DBE) possde des proprits remarquables
pour yp+1, yq1 et xp, xq on a:
et:
JPG, 2CAD2, 2012-1376
: '
( ) (2)
:
'
DBD R
EB D
RV y L x Ry Dx
x
V Lx= +=
1
( ) ( )PENTE
( ) - (2) ' ' , soit: ( -line) V ou encore: D R A A A A AA A
V V y L L x Dx Rx y L x Az qL Azy xV V
1 = + + = + = +
DBR & DBE ne dpend que de lAlimentation ! passe par x = zA & y = zA
sa pente, -LA/VA , dpend de l tat de vaporisation de la charge
si la charge est o TBulle: VA 0 & LA A, droite VERTICALE
(pente )o TRose : LA 0 & VA A, droite HORIZONTALE
(pente 0)
Conception & Opration dune ColonneV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux McCabe-Thiele
4. Construction de McCabe-Thiele en pratique:a) Donnes du Problme:
Charge: A, zA, LA & VA (q = LA/LA +VA = f(T), fixe la Droite dAlimentation ou q-line)
Spcifications des Produits: xD & xR qui donnent D & R
Taux de Reflux (rf = L/D): fixer les trafics l (L, L) & v (V, V) dans la colonne + DB
b) Mise en Place des Droites de Bilan (DBR & DBE)
JPG, 2CAD2, 2012-1377
Zone de Rectification Zone dpuisement
xn > xA > xn+1
(xm+1, ym):calculable, vide infra
Spcification
Spcification
Conception & Opration dune ColonneV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux McCabe-Thiele
c) Remarques:
JPG, 2CAD2, 2012-1378
Dernier Plateau de la Rectification
Premier Plateau de lpuisement
GAP
Position Correcte dAlimentationxn > xA > xn+1
xn+1: 1 Plateau aprs n, xn+1 < LA, AlimentationTBulle (Charge): vapeur pas modifie par lacharge (V = V & yn+1 = ym) GAP 0TRose (Charge): liquide pas modifi par lacharge (L = L) & (xn, ym) sur la DBE
Calcul de ym(xn, yn+1) DBR & (xm+1, ym) DBE
on a en faisant le Bilan Matire des Flux LA & L:
( )' soit : et le point '
, qui d, DBE termine mA
m A A n
nA Am m m
A
L L LL x L x Lx
L x Lxx x y y
L L+1+1 +1
= +
= +
+=
+
JPG, 2CAD2, 2012-1379
a) q > 1 (subcooled l, TR)
Effet de la Composition (l, v) de la Charge
q = fraction molaire de l dans la Charge
Conception & Opration dune ColonneV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux McCabe-Thiele
- En rsum
!: IN = OUT =
JPG, 2CAD2, 2012-1380
Slope = R/(R+1)
Slope = q/(1-q)
Slope = L/ V
- Toutes ces oprations sont effectues par les logiciels courants (ChemSep)
- On entre les donnes du pb et les approximations
- !: effet black-box
Conception & Opration dune ColonneV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux McCabe-Thiele
Rvision
Voir:
Tutorial Distillation Basics dans: http://lorien.ncl.ac.uk/ming/distil/distildes.htm
Raffinage Ptrolier (2 vidos): &
JPG, 2CAD2, 2012-1381
Distillation 1.htm Distillation 2.htm
Applications en Raffinage PtolierI. Distillation Atmosphrique
Caractristiques du Raffinage Grande complexit des Charges
Gamme de Tebullition Nature des charges (P, O, N, A)
Ractivit des Charges vs. T
Quantits traiter
Nombreuses coupes Soutirages multiples
JPG, 2CAD2, 2012-1382
Applications en Raffinage PtolierI. Distillation Atmosphrique
Schma Gnral dune raffinerie de Ptrole
JPG, 2CAD2, 2012-1383
Applications en Raffinage PtrolierI. Distillation Atmosphrique
JPG, 2CAD2, 2012-1384
Vue Gnrale
Applications en Raffinage PtrolierI. Distillation Atmosphrique
JPG, 2CAD2, 2012-1385
Applications en RaffinageII. Distillation sous Vide
JPG, 2CAD2, 2012-1386
Ncessit de Distillation sous vide: Ractivit des HC haute Tbullition Si PHC diminue, TEbullition diminue
Augmentation des carts de volatilit
Diminution de la consommation nergtique
Symboles Graphiques
JPG, 2CAD2, 2012-1387
Symboles Graphiques
JPG, 2CAD2, 2012-1388
Equipements & Instruments
JPG, 2CAD2, 2012-1389