REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE AHMED DRAIA ADRAR FACULTE DES SCIENCES ET DE TECHNOLOGIES DEPARTEMENT DES SCIENCES ET DE TECHNOLOGIES Soutenu le : 25 Mai 2017 Réaliser par : AISSAOUI Moubarek Devant le jury composé de : Mr. A. ARROUSSI Maitre Assistant B Univ. ADRAR Président Mme. KH.DJEDIDE Maitre Assistant A Univ. ADRAR Examinatrice Mr. A. BENABDELKABIR Maitre Assistant B Univ. ADRAR Promoteur Promotion 2017 MEMOIRE DE FIN D’ETUDES EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLÔME MASTER OPTION : CHIMIE D’ENVIRONNEMENT ETUDE DE PERFORMENCE D’UNE COLONNE DE STABILISATION DU CONDENSAT ET DE L’ECHANGEUR E04A/B AU NIVEAU DU TRAIN 40 DE RHOUDE-NOUSS
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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECH ERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE AHMED DRAIA ADRAR
FACULTE DES SCIENCES ET DE TECHNOLOGIES
DEPARTEMENT DES SCIENCES ET DE TECHNOLOGIES
Soutenu le : 25 Mai 2017
Réaliser par :
AISSAOUI Moubarek
Devant le jury composé de :
Mr. A. ARROUSSI Maitre Assistant B Univ. ADRAR Président
Mme. KH.DJEDIDE Maitre Assistant A Univ. ADRAR Examinatrice
Mr. A. BENABDELKABIR Maitre Assistant B Univ. ADRAR Promoteur
Promotion 2017
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLÔME MASTER
OPTION : CHIMIE D’ENVIRONNEMENT
ETUDE DE PERFORMENCE D’UNE COLONNE DE
STABILISATION DU CONDENSAT ET DE L’ECHANGEUR
E04A/B AU NIVEAU DU TRAIN 40 DE RHOUDE-NOUSS
KARIM & HOCINE
En premier lieu, nous tenons à remercier notre Dieu, notre
créateur, pour le courage et la patience qu’il nous a donné pour
accomplir ce travail.
Nous tenons à exprimer nos profonds remerciements à nos
enseignants de l’université d’ADRAR, En particulier notre
encadreur
Dr. A.BENABDELKABIR pour ses conseils et l’aide qu’il nous
apporté.
Nous adressons nos vifs remerciements à tout le personnel de
SONELGAZ
Nos derniers remerciements et ce ne sont pas les moindres, vont à
tous ceux qui ont contribué de prés ou de loin pour l’aboutissement
de ce travail.
Moubarek AISSAOUI
KARIM & HOCINE
Je dédie ce mémoire :
� En premier lieu à ma mère et mon père qui ont consenti beaucoup de sacrifices pour me permettre de réaliser mes objectifs. Qu’ils trouvent ici toute ma reconnaissance et ma gratitude.
� A ma femme : RAHIMA. � A mes filles : SARA AMINA et AMIRA WIDAD. � A mes frères et mes sœurs. � A toute ma famille, mes oncles et mes tantes. � A tous mes amis, particulièrement : MOHAMMED
SALAH, ABDALLAH, ABDERRAHMANE, YAHIA, AMAR et FARID.
� A tous mes collègues. � A tous mes enseignants depuis le primaire.
AISSAOUI MOUBAREK
Introduction générale..........................................................................1 I) Présentation de la région de RHOURDE- NOUSS.
1. Situation géographique…………………………………………………..…..3 2. Historique……………………………………………………………………3 3. Description du champ de RHOURDE-NOUSS………….………….………4 4. Description du complexe de RHOURDE-NOUSS…….……………………5
II) Généralités sur le gaz naturel. 1. Introduction……………………………………………………………….21 2. Composition typique……………………………………………………...21 3. Caractéristiques des composants……………..……………………….…. 22 4. Propriétés dangereuses des composants..………………...…………….…23 5. Gaz naturel dans le monde …………………………………………….…24 6. Gaz naturel en Algérie………………………………………………….…29 7. Caractéristiques du gaz naturel…………………...………………….……31 8. Procédés de traitement du gaz………………… ..………………………..33 9. Domaines d’utilisation. 9-1. C1, C2, C3, C4………………………………………….………..….35
III) La colonne de rectification. 1. Introduction…………………………………………………………….....42 2. Principe de fonctionnement d’une colonne de rectification …………..….43 3. Description d’une colonne de rectification…………………………….....44 4. Types des colonnes de rectification………………..………………...…...45 5. Bilan matière de la colonne et des ses zones……………………….…….49 6. Choix de la pression dans la colonne……………………………………..53 7. Régime de température dans la colonne …………………………………54 8. Taux de vaporisation et compositions des phases liquide et vapeur de la charge ………………………………………………………………………...55 9. Choix du taux de reflux ………………………………………………….56 10. Bilan thermique de la colonne …………………………………………..57
IV) Transfert de matière et transfert de chaleur. 1. Introduction……………………………………………………..58 2. Lois fondamental de transfert de matière ………………………………..58 3. Lois fondamental de transfert de chaleur ………………………………..59
V) Echangeurs de chaleur.
Introduction…………………………………………………………………..61
1. Classification des échangeurs de chaleurs…………………………….….61 2. Les fonctions des échangeurs…………………………………………… .62 3. Les différents types des échangeurs……………………………...…...…..64 4. Principe de fonctionnement…………………………………….…………73 5. Modes de circulation des fluides…………………….……………………75 6. Recommandation sur le choix des paramètres de l’échangeur……………76 7. Paramètres influençant sur la performance d’un échangeur………...…….78
VI) La simulation. Introduction.………………………………………………………………..83
1. Le choix du modèle thermodynamique……………………………….…..84 2. Equation d’état usuel……………………………………………………...84 3. Description du simulateur HYSYS………………………………….……86
VII) La Sécurité industriel.
1. Définition…………………………………………………………………88 2. Organisation de la sécurité………………………………………………..88 3. Sécurité dans l’atelier………………………...…………………………. .88 4. La Sécurité dans l’unité de traitement du gaz de RHOURDE-NOUSS…..89
Problématique……………………………………………………………….92
VIII) Partie calcul. � Les données …………………………………………………………93
Calcul.
PARTIE 1 : la colonne de stabilisation……………………………………..95
1) Validation du modèle thermodynamique ……………………………….95
2) Vérification de design ………………………………...…………….…..97
3) Vérification du débit actuel par les paramètres de design…………...…100
4) Cas d’arrêt d’un train et leur charge envoyée vers cette colonne...........105
PARTIE 2 : l’échangeur E04A/B :……………………………………….106
Afrique 43 49 68 105 145 177 Asie Centrale et de l'Est 139 145 233 342 441 526
Asie du Sud Est et Océanie 68 74 103 132 157 185 Europe de l'Est - Asie du Nord 548 522 614 740 812 883
Proche-Orient 128 144 203 278 337 388 Amérique du Nord 698 727 760 899 980 1,082 Amérique du Sud 68 75 99 134 164 197
Europe Centrale et Occidentale 356 384 467 560 614 650 Monde 2,048 2,120 2,547 3,190 3,650 4,088
Tableau 5 - Demande mondiale de gaz par région (Scénario Alternatif) .
Unité : Gm3 (109m3) Réalisé Potentiel
Année 1994 1995 2000 2010 2020 2030
Afrique 43 49 64 98 138 168
Asie Centrale et de l'Est 139 145 201 265 322 373
Asie du Sud Est et Océanie 68 74 89 103 115 131
Europe de l'Est - Asie du Nord 548 522 570 652 685 720
Proche-Orient 128 144 191 247 283 313
Amérique du Nord 698 727 730 755 773 784
Amérique du Sud 68 75 96 121 141 163
Europe Centrale et Occidentale 356 384 437 494 524 543
Monde 2,048 2,120 2,378 2,735 2,981 3,195
La sensibilité de ces prévisions au jeu d'hypothèses est importante.
En Amérique du Nord notamment, l'hypothèse d'une croissance économique réduite pèse
fortement sur la demande d'énergie; dans ce cas, la consommation de gaz croît très lentement
au-dessus du niveau actuel. En Europe de l'Est et Asie du Nord, le potentiel du marché gazier
est réduit de presque 20% si l'on suppose que l'évolution économique générale conduira à une
stagnation de la production industrielle.
Chapitre II Généralités
FST2017 29 CE/MASTER
II-6) Le gaz naturel en Algérie :
L’Algérie a une importante industrie du gaz naturel, et un important producteur de gaz au
niveau mondial.
A la fin de 1953, plusieurs compagnes de sismiques aboutirent à la mise en évidence d’une
zone haute pouvant constituer un anticlinal, notamment dans la région de Hassi R’mel, un
premier forage (HR1) a été réalisé en 1956. Huit puits sont alors réalisés, délimitant ainsi une
structure anticlinale constituant un grand réservoir de gaz.
Ce premier développement du champ permet de préciser le viciés des niveaux géologiques et
d’approfondir les connaissances sur le réservoir et son effluent.
Quatre puits sont relies à un centre de traitement permettant l’exploitation commerciale du
champ, dés février 1961, deux unités livrent du gaz à GL4-Z à travers un gazoduc reliant
Hassi- R’mel à Arzew, le condensât était évacué à HAOUDH El HAMRA via
l’oléoduc «N°8 ».
Depuis la mise en exploitation, plusieurs étapes ont été marquées avant d’atteindre la phase
actuelle de développement.
De 1961 à 1971, la production annuelle de gaz brut passe de 0 ,8 à 3,2 milliards de m3 et
celle du condensât passe de 126 000 à 623 000 tonnes.
De 1971 à 1974 : des études des réservoirs permettent de définir le mode d’exploitation du
champ.
En 1974, parallèlement à ces études, une extension du centre de traitement était réalisée par
l’adjonction de six nouvelles unités d’une capacité totale de 300.106 m3/j.
Un programme de forage complémentaire était porté sur 23 nouveaux puits réalisés entre
1971 et 1974.
Depuis 1980, l’Algérie est devenue l’un des grands exportateurs mondiaux de gaz naturel.
Une particularité à souligner est que l’Algérie a pu réaliser diverses installations de
liquéfaction de gaz naturel qui lui permettent de le commercialiser sous forme liquide et le
transporter dans des méthaniers vers le marché extérieur (Etats-Unis, Europe… etc.).
Parallèlement à ce mode de transport, l’Algérie a pu transporter son gaz par des gazoducs
reliant directement Hassi R’mel à l’Europe, c’est ainsi qu’elle exploite actuellement le fameux
gazoduc transméditerranéen qui relie l’Algérie à l’Italie et la Slovénie via la Tunisie.
Chapitre II Généralités
FST2017 30 CE/MASTER
II-6-1) Richesse Algérienne en gaz naturel :
L’Algérie possède des réserves immenses en gaz naturel à savoir le champ de Hassi R’mel,
qui est le plus grand à l’échelle mondiale et celui de in- Salah qui sera exploité en l’an 2002.
L’Algérie est placée au quatrième rang, en possédant 10% environ des réserves mondiales.
L’exploitation de gaz naturel en provenance de l’Algérie atteindra 80 milliards m3 de
production (voir figure-1). Autrement dit, l’Algérie deviendra le quatrième exportateur dans
ce secteur.
II-6-2) Les réserves gazier en Algérie :
En janvier 2003, les réserves prouvées de gaz naturel sont estimées à 4,077.109m3. Au cours
des dix dernières années les bassins de Berkine et d'Illizi ont enregistré les taux de réussite les
plus élevées dans l'exploration, avec respectivement 51% et 50%. Parmi les autres bassins de
Berkine qui se classent comme les plus fructueux figure, le bassin d’Oued Mya où ils ont
effectué une autre découverte de gaz et de pétrole en 2002, ainsi que les bassins de Timimoun
et Hassi Messaoud (voir figure-2).
Il est estimé actuellement que des investissements de l'ordre de 7Milliards de $ devront être
débloqués les prochaines années afin de développer touts les découverte réalisées.
Chapitre II Généralités
FST2017 31 CE/MASTER
II-7) Caractéristique du gaz naturel :
Au stade final de son exploitation, le gaz naturel peut être caractérisé par les propriétés
suivantes :
II-7- a) Densité :
Elle est définie pour un gaz comme étant le rapport de sa masse volumique à celle de l’air,
dans les conditions déterminées de température et de pression. Comme elle peut être obtenue
à partir de sa masse moléculaire que l’on peut définir au moyen de sa composition chimique
en utilisant la relation :
DENSITE DU GAZ= MASSE MOLECULAIRE /29. II-7- b) Pouvoir calorifique : C’est la quantité de chaleur dégagée par la combustion d’une unité de volume du gaz,
mesurée dans les conditions de référence. Le pouvoir calorifique pour le gaz naturel
s’exprime en joules par mettre cube.
Il existe deux valeurs de pouvoir calorifique :
- Pouvoir calorifique supérieur :
Il correspond à la chaleur dégagée pour la combustion complète de 1 Kg ou 1m3 de
combustible dans la fumée, l’eau fumée ce trouve à l’état liquide.
Chapitre II Généralités
FST2017 32 CE/MASTER
- Pouvoir calorifique inférieur :
Il correspond à la combustion, dans laquelle l’eau est à l’état vapeur dans la fumée. Une
quantité de chaleur du PCS qui est égale à la chaleur latente de vaporisation de l’eau.
II- 7- c) Composition chimique :
Elle indique la nature des composés hydrocarbures et d’autres constituants du gaz et leur
importance relative dans le mélange par l’intermédiaire de leur fraction volumique ou
moléculaire.
La composition chimique d’un gaz est utilisée pour l’étude de vaporisation. Elle sert à
calculer certaines de ces propriétés en fonction de la pression et de la température
(compressibilité, densité) et à définir les conditions de son traitement lors de l’exploration
(extraction des produits liquides).
II-7- d) Composition du gaz naturel :
Les différentes compositions de gaz naturel sont dues à la diversité de ses origines,
d’ailleurs on peut avoir :
- Un gaz bactérien :
Le mode bactérien est dû à l’action de bactéries sur les débris organique qui
s’accumulent dans les sédiments. Le gaz formé est appelé gaz bactérien ou gaz biochimique.
- Un gaz thermique :
Au cours de l’évolution des bassins sédimentaires, les sédiments sont portés à des
températures et pressions croissantes. Ils vont subir une dégradation thermique qui va donner
à côté des hydrocarbures une large gamme de composés non hydrocarbonés.
- Un gaz inorganique :
Le mode inorganique de formation des gaz hydrocarbures reste très secondaire.
Les gaz volcaniques ou les sources hydrothermales contiennent parfois du méthane.
II-7-e) Type de gaz naturel :
L’apparition d’une phase liquide dépend la température et la pression dans le réservoir et
en surface. Ceci conduit à distinguer les cas suivants :
- Gaz sec :
Ne formant pas de phase liquide en cours de la production dans les conditions de
surface. Le gaz est concentré en méthane et contient très peu d’hydrocarbures plus lourds que
l’éthane.
Chapitre II Généralités
FST2017 33 CE/MASTER
- Gaz humide :
Formant une phase liquide en cours de la production dans les conditions de surface, Il
est moins concentré en méthane.
- Gaz a condensât :
Formant une phase liquide en cours de la production dans les conditions de surface, il est
moins concentré en méthane.
- Gaz associé :
Coexistant dans le réservoir avec une phase « huile » (gisement de pétrole). Le gaz
associé comprend le gaz de couverture (phase gazeuse présente dans le réservoir) et le gaz
dissous.
- Gaz non associé :
C'est la forme la plus exploitée de gaz naturel. Son processus de formation est similaire à
celui du pétrole. On distingue le gaz thermogénique primaire, issu directement de la pyrolyse
du kérosène, et le gaz thermogénique secondaire, formé par la pyrolyse du pétrole. Le gaz
thermogénique comprend, outre le méthane, un taux variable d'hydrocarbures plus lourds,
pouvant aller jusqu'à l'heptane (C7). On peut y trouver aussi du CO2, du SO2, et du H2S appelé
aussi « gaz acide ».
- Gaz biogénique :
Le gaz biogénique est issu de la fermentation par des bactéries de sédiments
organiques. À l'instar de la tourbe, c'est un combustible fossile mais dont le cycle est
relativement rapide. Les gisements biogéniques sont en général petits et situés à faible
profondeur. Ils représentent environ 20% des réserves connues de gaz conventionnel.
II-8) Procédés de traitement de gaz :
Les procédés de traitement de gaz sont multiples, le choix du procédé adéquat se base
sur les critères suivants :
- Qualité de l’effluent brut.
- Taux de récupération d’hydrocarbures liquides visé.
- Spécifications des produits finis.
- Coût global des investissements.
Chapitre II Généralités
FST2017 34 CE/MASTER
Pour les types de procédés qui sont mis en œuvre, il y a :
II-8-a) Procédés « PRITCHARD » :
Il est basé sur le refroidissement du gaz par échanges thermique et par détentes avec
utilisation d’une boucle de propane comme système réfrigérant pour atteindre en fin de cycle
de température voisine de -23 °C.
II-8- b) Procédés « HUDSON » :
Il est basé sur le refroidissement du gaz par échanges thermique et par une série de
détentes à travers une machine dynamique appelée « turbo expander » qui permet d’atteindre
un niveau de -40°C.
II-8- c) Procédés mixtes :
Ils sont les plus performants, car ils utilisent le turbo- expander, la vanne Joule –Thomson
et la boucle de propane, où on atteint les -66°C.
Les procédés mixtes sont plus performants, car ils permettant une meilleure récupération
des hydrocarbures. Le gaz brut en provenance des puits producteurs est un mélange (Gaz et
hydrocarbures liquides) contenant une faible proportion d’eau de gisement. Elle se présente à
une pression de 67,5 bars et une température maximale de 100°C. (Cas de Alrar).
Le fonctionnement s’articule autour de quatre étapes :
- Elimination de l’eau :
L’eau libre contenue dans la charge est éliminée par décantation au niveau du premier
ballon de séparation par un refroidissement à travers des aéroréfrigérants.
L’eau de saturation des hydrocarbures est éliminée par adsorption sur un tamis
moléculaire ou par absorption au glycol.
- Extraction des hydrocarbures liquides :
Elle se fait par abaissement progressif de la température du gaz brut suivant les procédés
cités précédemment obtenant ainsi un gaz très sec répondant aux spécifications commerciales.
- Stabilisation et fractionnement des hydrocarbures liquides :
Cette section de la chaîne permet le traitement des hydrocarbures liquide extraits de
l’effluent en deux phases et par distillation fractionnée.
La stabilisation permet d’éliminer tous les gaz légers tels que le méthane et l’éthane entraînés
et le fractionnement consiste à séparer les hydrocarbures liquides stabilités en condensât et
GPL.
Chapitre II Généralités
FST2017 35 CE/MASTER
- Décompression Des Gaz Moyenne Pression :
Le gaz des séparatrices moyennes pressions ont les mêmes qualités que le gaz sec
produit, pour cela, ils sont récupérés puis comprimés avant d’être mélangés au gaz sec.
Le gaz à condensât, il est sous forme liquide dans les conditions normales de températures et
IV- Transfert de matière et transfert de chaleur :
IV-1) Introduction :
Dans la charge chaude venant du four, là où arrive la vapeur de rebouillage, la
température est plus élevée. En tète où, arrive le liquide froid du reflux de tête, on trouve la
température plus basse.
Entre les deux extrémités, les températures s’échelonnent de plateau en plateau, chacune elles
ayant sa propre température qui est toujours supérieure à celle du plateau de dessus et
inférieure à celle du plateau de dessous.
La vapeur qui monte d’un plateau à l’autre rencontre un liquide plus froid qu’elle, il
y a échange thermique. La vapeur montante réchauffe le liquide descendant qui le refroidit.
Tout le long de sa montée, la vapeur va perdre ses calories à l’inverse du liquide qui va en
gagner.
Parallèlement, il se produit un échange de matière entre les éléments plus volatils et
moins volatils par vaporisation des liquides et condensation des vapeurs. Ainsi, plus il y aura
de plateaux plus les produits en tête et au fond de la colonne seront purs. Certaines colonnes
peuvent être équipées de plus de cent plateaux.
IV -2) Lois fondamentales de transfert de matière :
Considéreront une phase vapeur composée de constituants auxquels on peut appliquer
la loi des gaz parfaits ; alors, la pression partielle d’un constituant (Pi) est proportionnelle à la
pression du système «π » et à sa concentration molaire (yin’) :
Pi =π Y’ i ……………………………………………………………….(IV-1).
Lois de Raoult et d’Henry :
Les lois de Raoult et d’Henry ne sont applicables que pour les liquides.
Considérons une phase liquide composée de constituants entièrement miscibles. On conçoit
aisément que la tendance des molécules d’un constituant à s’échapper de la phase liquide soit
proportionnelle à la concentration molaire de ce constituant à cette phase.
D’après la loi de Raoult la pression partielle (Pli) d’un constituant est égale au produit
de sa tension de vapeur (P0i) à l’état pur par sa concentration molaire en phase liquide :
PiL =P0i. X’ i ……………………………………………………….…..(IV-2).
Chapitre IV Transfert de matière et de chaleur
FST2017 59 CE/MASTER
Dans le cas des mélanges réels les constituants obéissent à la loi d’Henry, d’après cette
loi, la pression partielle d’un constituant, la température étant fixe, est proportionnelle à la
concentration molaire du constituant dissout dans la phase liquide :
Pi L =E i. X’ i …………………………………………………………..(IV-3).
Avec :
Ei : constante d’Henry ; dépend de la nature du constituant et de la température.
A l’équilibre, les pressions partielles d’un même constituant dans les deux phases liquides
et vapeur sont égales :
PLi = PV
i …………………………………………………….………..(IV-4).
Donc :
Y’ i = (P0i /π). X’………………………………………………..…….(IV-5).
(P0i / π) = Ki : coefficient d’équilibre du constituant «i ».
IV -3) Lois fondamentales de transfert de chaleur :
L’expérience montre que deux corps isolés de l’ambiance et à température différente
échangent de l’énergie sous forme de chaleur jusqu’à disparition complète de leur différence
de température. Cet échange peut se faire de trois façons différentes :
Par conduction : s’il y à contact physique entre les molécules des corps contiguës et
immobiles, le transfert de chaleur correspond alors à la transmission d’une énergie cinétique
due aux chocs des molécules fluide, aux oscillations longitudinales des molécules de solides
non- conducteurs de l’électricité, ou aux mouvements des électrons dans les autres cas.
Par convection : s’il s’agit de fluide en mouvement, et que la transmission de chaleur
accompagne le déplacement de filetés d’un seul fluide ou s’opère par mélange des deux
fluides, ce mode de transfert est donc essentiellement régi par les lois des écoulements des
fluides, ainsi que par celles de la conduction.
Par rayonnement : tout corps porté à une température supérieure à zéro absolu (0oK)
rayonne dans toutes les directions, une énergie sous forme d’ondes électromagnétiques.
Inversement, tout corps est susceptible d’absorber tout ou partie d’une énergie
électromagnétique analogue à celle qu’il serait susceptible d’émettre, cette forme de transfert
de chaleur ne nécessite donc entre les corps considérés aucun support matériel, et s’identifie
parfaitement à la propagation de la lumière c’est à dire à l’optique.
Chapitre IV Transfert de matière et de chaleur
FST2017 60 CE/MASTER
En réalité tout échange thermique s’effectue simultanément sous les trois formes précédentes,
mais généralement l’une d’elles est prédominante, et les autres peuvent être négligées,
cependant lorsque les trois modes de transfert sont concurrents, il est nécessaire décrire que
l’échange est la somme des trois effets, comme se serait le cas pour le refroidissement à l’air
d’une plaque métallique à très haute température.
IV -3-1) Lois fondamentales d’échange de chaleur :
ΙV -3-1-a)Gradient de température :
Dans tous les cas le transfert de chaleur est transmis des points les plus chauds aux
points les plus froids. Cet écoulement s’effectue à travers des surfaces isothermes et suivant la
ligne énergétique :
gradtdn
dt = ……………………………….………(IV-6).
Où : grad t : gradient de température.
n : La normale à la surface isotherme.
Le gradient de température est un vecteur dirigé suivant la normale de la surface
isotherme, numériquement égal au dérivé partiel de la température par la normale. Ce vecteur
est dirigé vers le sens de l’augmentation de la température.
IV -3-1-b) Loi de Fourier :
Une quantité de chaleur qui passe par conduction à travers un élément de surface peut
être exprimée par la loi de Fourier :
dtdFdx
dtdQ .. =−= λ . …………………………………..(IV-7).
TFdx
dtQ .. =−= λ ………………………………………...(IV-8).
En introduisant le flux thermique qui à pour expression :
TF
Qq
.= ……………………………………….….…….…(IV-9).
dx
dtq λ−= ………………………………………………….(IV-10).
Ou :
q : quantité de chaleur qui s’écoule pendant une unité de temps à travers la surface (w/ m2).
λ : Conductibilité thermique (w/ m2°c).
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 61 CE/MASTER
V-Les échangeurs de chaleur :
Introduction :
Les procès les plus couramment rencontrés dans l’industrie pétrochimique ou autre,
font intervenir l’échange de chaleur entre deux fluides. Le système utilisé dans cette situation
est un échangeur de chaleur : C’est un appareil destiné à transférer un flux de chaleur d’un
fluide à un autre. En général, les deux fluides sont séparés par une paroi (simple ou
composée) constituant ainsi une résistance thermique. Dans certains équipements, le transfert
thermique se fait par contact direct entre les fluides en présence. C’est le cas des condenseurs,
évaporateurs, tours de refroidissement, où l’un des fluides subit un changement de phase.
V-1) Classification des échangeurs de chaleur :
La classification des échangeurs peut obéir au procédé de transfert, à l’écoulement des
fluides, le degré de compacité, mais surtout le type de conception technologique.
V-1-1) Procédé de transfert :
Les fluides mis en jeu dans l’échangeur peuvent entrer en contact direct : c’est le cas
des tours de refroidissement des centrales nucléaires. En revanche, si les fluides sont séparés
par une paroi comme dans le cas d’un radiateur de chaleur, l’échangeur sera dit à contact
indirect.
V-1-2) Degré de compacité :
La compacité est définie par le rapport de l’aire de la surface d’échange au volume de
l’échangeur. R.K. Shah propose qu’un échangeur soit considéré comme compact si sa
compacité est supérieure à 700 m2/m3, cette valeur est susceptible de varier de
500 à 800 m2/m3.
V-1-3) Ecoulement des fluides :
Selon le sens d’écoulement des deux fluides, on distingue trois types d’échangeurs :
échangeur à co-courant, à contre-courant et à courants croisés.
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 62 CE/MASTER
V-1-4) Conception technologique :
C’est la classification la plus répandue. Le modèle le plus simple d’échangeur qui
puisse exister se compose de deux tubes coaxiaux. L’un des fluides circule dans le tube
intérieur, alors que l’autre circule dans l’espace annulaire formé par les deux tubes : C’est
l’échangeur tubulaire. On peut avoir aussi des échangeurs à faisceaux de tubes et calandre, ou
à plaques (dits à surface primaire ou à surface secondaire), ou encore d’autres types tels que
les échangeurs spiraux, à surface raclée, en plastique, ...ect.
V-2) Les fonctions des échangeurs :
Les échangeurs de chaleurs souvent appelées les échangeurs de températures.
Ces appareillages peuvent avoir à assurer des fonctions différentes, éventuellement
simultanées relativement aux objectifs concernant l’un des fluides ou les deux fluides
participent à l’échange.
V-2-1) Fonction réfrigération :
• Réfrigérant (cooler) : il refroidit un liquide ou un gaz par circulation d'un fluide
auxiliaire, généralement de l'eau.
• Réfrigérant intermédiaire (intercooler), final (aftercooler) : ces termes sont plutôt
réservés aux réfrigérants de gaz comprimés au divers étages de compression.
• Réfrigérant final (trim cooler) : réfrigérant qui termine la réfrigération d'un produit.
Souvent, ce terme désigne le réfrigérant à eau qui assure les conditions de sécurité
requises pour le stockage des produits, par extension, il désigne aussi l'association
aéroréfrigérant suivi d'un réfrigérant à eau fréquemment utilisée pour cette fonction.
• Chiller : il refroidit un fluide de procédé par évaporation d'un fluide frigorigène
(ou par de l'eau réfrigérée).
V-2-2) Fonction réchauffage :
• Préchauffeur (preheater) : il préchauffe un fluide de procédé par la vapeur d'eau ou
un fluide chaude procédé, la chauffe se poursuivant souvent dans un four en aval.
• Réchauffeur (heater) : il réchauffe également un fluide de procédé mais le terme
s'emploie surtout pour désigner l'appareil qui réchauffe un produit stocké.
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 63 CE/MASTER
Les termes réchauffeur et Préchauffeur d'air s'appliquent aux appareils (cycliques ou non)
assurant la préchauffe de l'air de combustion d'une chaudière ou d'un four par récupération
d'une partie de la chaleur contenue dans les fumées ou dans un autre fluide auxiliaire.
• Economiseur (economizer) : ce terme est plutôt réservé au serpentin permettant la
préchauffe de l'eau d'alimentation des chaudières par les fumées.
• Surchauffeur (super heater) : il augmente la température d'une vapeur au-delà de sa
température de condensation.
V-2-3) Fonction condensation :
• Condenseur (condenser) : il assure la condensation totale (total condenser) ou
partielle (partial condenser) de vapeur par circulation d'eau ou d'un fluide de procédé
suffisamment froid.
• Aérocondenseur : il a la même fonction que le précédent en utilisant l'air comme
fluide froid.
• (Subcooler) : il assure simultanément la condensation de vapeur et le refroidissement
des condensats généralement par circulation d’eau.
V-2-4) Fonction vaporisation :
• Vaporiseur (vaporizer) : il assure la vaporisation totale ou partielle d'un liquide de
procédé, l'apport de chaleur étant fait par de la vapeur d'eau ou un fluide chaud de
procédé éventuellement en condensation.
• Bouilleur (reboiler) : il vaporise une partie des produits de fonds de colonnes pour les
renvoyer au fractionnement.
• Générateur de vapeur : il produit de la vapeur par récupération de chaleur sensible
contenue dans les fluides de procédés, des fumées de fours ou des lits catalytiques
(Waste heat boiler) ou par combustion de gaz ou de liquides résiduels (Steam
generator).
• Evaporateur (evaporator) : terme plutôt utilisé pour désigner l'appareil qui concentre
des solutions aqueuses par évaporation d’eau, cependant il peut désigner aussi un
vaporiseur et un chiller.
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 64 CE/MASTER
V-3) Les différents types d’échangeurs :
V-3-1) Les échangeurs tubulaires a faisceau et calandre :
Ce type d'échangeurs est de loin le plus répandu dans les unités de transformations des
industries chimiques et pétrochimiques. Un faisceau de tubes est situé à l'intérieur d'une
calandre dans laquelle circule le deuxième fluide. Cette conception se retrouve également
dans les condenseurs, les rebouilleurs et les fours multitubulaires.
Le faisceau est monté en deux plaques en communication avec des boîtes de
distribution qui assurent la circulation du fluide à l'intérieur du faisceau en plusieurs passes.
Le faisceau muni de chicanes est logé dans une calandre possédant des tubulures d'entrée et
de sortie pour le deuxième fluide circulant à l'extérieur des tubes du faisceau selon un chemin
imposé par les chicanes.
Tous les éléments entrant dans la construction de ces échangeurs ont fait l'objet d'une
normalisation, tant par la T.E.M.A. (Tubular Exchangers Manufacturer's Association) que
l'A.S.M.E. (American Society of Mechanical Engineers) ou l'A.P.I. (American petroleum
institute).
Dans les ouvrages généraux consacrés au transfert de chaleur, on trouvera les schémas
des principaux types d'échangeurs à faisceau et calandre.
La calandre est généralement réalisée en acier au carbone et les brides portant les
boîtes de distribution et le couvercle sont soudés. Les tubes du faisceau répondent à des
spécifications très sévères. Le choix du matériau dépend de l’utilisation:
• acier au carbone pour usage courant.
• laiton amirauté pour les appareils travaillant avec l'eau de mer.
• aciers alliés pour les produits corrosifs et les températures élevées.
• aluminium et cuivre pour les très basses températures.
Les tubes sont fixés dans les plaques par mandrinage et la perforation des trous dans les
plaques est réalisée selon une disposition normalisée, soit au pas triangle, soit au pas carré.
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 65 CE/MASTER
Le pas triangle permet de placer environ 10 % de plus de tubes que le pas carré sur une
plaque tubulaire de diamètre donné, mais, en contre partie, la disposition des tubes rend
difficile le nettoyage des tubes par insertion de grattoirs.
Les chicanes qui permettent d'allonger le chemin du fluide circulant dans la calandre
sont souvent constituées par un disque de diamètre légèrement inférieur à celui de la calandre
comportant une section libre représentant 20 à 45 % de la section.
V-3-1-2) Boites de distribution :
La boite de distribution permet de distribuer le fluide en vue de réaliser, 2, 4,6 ou 8
passes. Le nombre de passe est généralement limité par la perte de charge admissible. Le
second facteur limitant est si la différence de température à l’entrée et à la sortie est
importante ; pour une différence de 150°C une seule passe s’impose.
V-3-1-3) La calandre :
C’est l’enveloppe métallique cylindrique entourant le faisceau tubulaire. Son matériau
doit être compatible avec le fluide utilisé. Les matériaux les plus courants sont les aciers
ordinaires, les aciers inoxydables, le cuivre ou les matières plastiques. Il semble que la limite
technologique des calandres se trouve aux alentours d’un diamètre de 2m.
V-3-1-4) Plaques tubulaires :
Ce sont des plaques percées supportent les tubes à leurs extrémités, leurs épaisseurs
varient entre 5 et10 cm.
V-3-1-5) Faisceau :
C’est l’ensemble des tubes constituant le faisceau, les épaisseurs de tubes sont
normalisées selon le calibre BWG (Birmingham wire Gage) La perforation des trous dans les
plaques tubulaires est normalisée ; elle s’effectue selon une disposition soit au pas carré, soit
au pas triangulaire.
V-3-1-6) Chicanes :
Les chicanes peuvent avoir deux rôles :
1. Augmenter la rigidité du faisceau, pour éviter des phénomènes de vibration.
Chapitre V les échangeurs de chaleur
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2. Augmenter la vitesse du fluide.
Il existe deux types de chicanes :
• Chicanes transversales : sont généralement constituées par un disque ayant un
diamètre légèrement inférieur à celui de la calandre et comportant un segment libre
dont la surface représente 20à45%de la section totale. Ces chicanes ont pour but
d’allonger le chemin du fluide circulant dans la calandre, et d’améliorer ainsi le
transfert à l’extérieur du tube.
• Chicanes longitudinales : sont généralement constituées par une simple tôle insérée
au milieu du faisceau cette disposition oblige le fluide à effectuer un aller et un retour
dans la calandre.
V-3-1-6) Déflecteurs ou plaque de protection du faisceau :
Pour éviter ou du moins minimiser l’érosion de tube du faisceau, des déflecteurs de
protection peuvent être installés faces aux tubulures d’entrée du fluide côté calandre,
l’obligation de leur mise en place est définie dans les standards (TEMA) en fonction de la
nature, de l’état du fluide et du produit ρ. u2 (ρ : masse volumique, u : vitesse du fluide).
Ces déflecteurs, d’une épaisseur de l’ordre de 1/2in, sont circulaires, carrés ou rectangulaires,
soudés sur des tirants ou entretoise.
V-3-1-7) Assemblage faisceau-calandre :
Il existe une très grande variété d’échangeurs faisceau et calandre qu’il n’est pas
possible de présenter en totalité. On ne présente que 04 types les plus reconnus :
a) Echangeur à tête flottante (type AES) :
L'une des plaques tubulaires est fixe, bloquée entre les brides de la calandre et de la
boîte de distribution. La seconde plaque, d'un diamètre inférieur, porte la boîte de retour et
peut coulisser librement à l'intérieur du capot qui ferme la calandre. Les appareils permettant
l'expansion thermique du faisceau constituent la grande majorité des échangeurs utilisés en
pétrochimie ou en raffinage du pétrole. L'exemple représenté ci-dessous est à 2 passes côté
tubes et une passe côté calandre. Ce type d'appareil présente certains inconvénients en
particulier, le joint de la boîte de retour est invisible et une fuite se traduit par une pollution de
l'autre fluide plus ou moins difficile à détecter.
Chapitre V les échangeurs de chaleur
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b) Echangeur à tubes en U (type CFU) :
Le faisceau est constitué de tubes coudés en forme d'épingle, il n'est donc porté que
par une seule plaque tubulaire. Ce système permet la libre dilatation du faisceau. En revanche,
le nettoyage de tubes est difficilement réalisable autrement que par voie chimique. Ils sont
obligatoirement à 2 passes côté tubes, dans l'exemple présenté ci-dessous, l'appareil est à deux
passes côté calandre. Celle-ci porte en effet une chicane longitudinale et les deux tubulures
d'entrée et de sortie du fluide qui passe côté calandre sont dans un même plan vertical.
Fig.V.1 : schéma de l’échangeur à tête flottante.
Fig.V.2 : schéma de l’échangeur à tubes en U (type CFU).
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 68 CE/MASTER
c) Echangeur à plaques tubulaires fixes (type BEM) :
Dans ce cas, les plaques tubulaires peuvent être directement soudées sur la calandre.
Faisceau et calandre étant solidaires, ces appareils ne peuvent être utilisés que si la différence
de température entre les fluides chaud et froid est suffisamment faible pour que la dilatation
ou la contraction du faisceau soit acceptable.
Un soufflet de dilatation est prévu à cet effet. Par ailleurs, le faisceau n’étant pas démontable, on ne peut effectuer le nettoyage de l’extérieur des tubes que par voie chimique.
Leur emploi sur des services encrassants est exclu.
L’exemple représenté ci-dessous est à une passe côté tube et une passe côté calandre.
Chaque boite ne porte dans ce cas, qu’une tubulure d’entrée ou de sortie du produit qui passe
dans les tubes.
Fig.V.3 : schéma de l’échangeur à plaques tubulaires fixes (type BEM).
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 69 CE/MASTER
d) Echangeur type Kettele (AKT) :
Cet appareil est utilisé quand il s'agit de vaporiser partiellement un liquide et il est
conçu pour assurer la séparation des deux phases. Le liquide à vaporiser vient baigner le
faisceau tubulaire à l'intérieur duquel circule le fluide chaud. Un déversoir maintient le niveau
liquide juste au-dessus du faisceau.
La calandre est d'un diamètre nettement supérieur à celui du faisceau, ce qui aménage
une zone de désengagement de la vapeur et permet d'éviter les entraînements de liquide.
La vapeur produite sort par la tubulure située à la partie supérieure de la calandre. Le
liquide non vaporisé passe au-dessus du barrage et il est soutiré de l'appareil généralement
sous contrôle de niveau (les prises de niveau apparaissent sur le schéma). Ici, le faisceau
(à deux passes) est du type à fond flottant mais on utilise également des tubes en U. Ce type
d'appareil tolère des taux de vaporisation élevés. Mais le temps de séjour du liquide est
relativement grand, ce qui favorise l'encrassement où la dégradation des produits sensibles à
la chaleur.
Fig.V.4 : schéma de l’échangeur type Kettele (AKT).
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 70 CE/MASTER
V-3-2) Autres échangeurs tubulaires :
V-3-2-1) Echangeur double –tube ou à tubes coaxiaux :
Ces échangeurs sont constitués par des éléments rectilignes de deux tubes
concentriques raccordés à leurs extrémités par des coudes. Les divers éléments sont tous
assemblés par des raccords à démontage rapide, et le remplacement des tubes est possible. Les
problèmes de dilatation thermique et d'étanchéité entre le tube intérieur et le tube extérieur
sont résolus par l'utilisation de presse étoupe ou de joint torique.
Les tubes sont généralement en acier et les longueurs courantes sont de 3,6 - 4,5 ou 6m.
On utilise également des tubes en verre et en graphite dans des applications
particulières. Ces appareils sont intéressants pour les facilités qu'ils offrent pour le démontage
et l'entretien. Ils peuvent fonctionner à contre-courant pur, ce qui permet d'obtenir de bons
rendements. Par contre, ils présentent les inconvénients suivants :
• risque de fuites aux raccords.
• flexion du tube intérieur si la longueur est importante.
• surface d'échange faible pour le volume global de l'appareil par suite du rayon
minimal des coudes reliant les longueurs droites des tubes.
Ces échangeurs utilisés depuis l'origine, conviennent aux produits sales, pour des
débits faibles et des températures et des pressions élevées.
V-3-2-2) Echangeurs multi-épingles ou multitubes :
Sur le même principe que celui des doubles-tubes sont conçus les appareils multitubes
composés de tubes en U, ailettes ou non, fixées à leurs extrémités sur une plaque tubulaire.
Les tubes sont logés dans deux calandres cylindriques reliées, soit par des coudes à 180°
enveloppant les coudes des épingles, soit par des boites de retour à couvercles plats ou
bonnets. Chaque épingle peut se dilater indépendamment l’une de l’autre.
V-3-2-3) Utilisation des échangeurs double-tube et multi-épingles :
Ces échangeurs conduisent à des solutions alternatives intéressantes à l’emploi des
échangeurs tubulaires à faisceau et calandre conventionnels, en particulier dans les cas
suivants :
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 71 CE/MASTER
• Pour de faible surface d’échange requis, de l’ordre de 50 m ² et moins.
• Pour des hautes pressions.
• Dans le cas de croisement important des températures de sortie accompagné le plus
souvent d’approches faible.
V-3-3) Echangeurs compacts non tubulaires :
Comme leur nom l’indique, ce sont des échangeurs de chaleur présentant une grande
surface d’échange par unité de volume, environ 700 à 1000m2/m
3, alors que l’échangeur
tubulaire conventionnel présente une capacité de l’ordre de 100 à 200 m2 /m
3.
Pour des services équivalents, les échangeurs de chaleur compacts offrent moins de volume et
de poids, ont une plus grande efficacité thermique, sont moins chers à qualité de matériau
égale Les géométries utilisées favorisent les turbulences et Atténuent le plus souvent les
phénomènes d’encrassement, conduisent à de faibles volumes de rétention de fluide limitant
les temps de séjour comparativement à l’utilisation d’échangeurs classiques.
Compte tenu des raisons développements technologiques réalisés, ils sont plus utilisés
que par le passé dans le domaine du raffinage, de la pétrochimie et du gaz.
Tout particulièrement leur compacité apporte des avantages considérables lorsqu’ils doivent
être installés sur des installations offshores ou encombrement et poids sont des critères
déterminants.
V-3-3-1) Echangeurs à plaques et joints :
Un échangeur à plaques est constitué d'un ensemble de plaques embouties, en inox ou
en tous autres matériaux nobles tels que le titane, l'hastelloy…ect. Selon les utilisations
prévues. Le transfert de chaleur entre les deux fluides s'effectue à travers de ces plaques.
Les plaques munies de joints qui assurent l'étanchéité, sont comprimées entre un bâti fixe et
un plateau de serrage mobile au moyen de tirants latéraux, elles sont suspendues entre deux
barres horizontales fixées sur la partie fixe et sur une colonne support.
La simplicité de la construction de l'échangeur de chaleur à plaques permet de le
démonter facilement pour inspection ou nettoyage. Par contre, le remontage est souvent
délicat à cause de la mise en place des joints entre les plaques, particulièrement pour les
plaques de grande taille.
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 72 CE/MASTER
Les principaux avantages des échangeurs à plaques sont les suivants :
Ils sont simples et peu encombrants (1m3 pour 200m2 de surface d'échange), ils offrent
la possibilité de traiter plusieurs liquides simultanément par l'emploi de boîtes de distribution
intermédiaires, leurs plaques sont interchangeables.
Ils conviennent surtout aux échanges liquide-liquide. Leur utilisation est limitée aux
pressions inférieures à 25 bars et aux températures inférieures à 200°C.
V-3-3-2) Echangeurs à plaques brasées :
La surface d’échange de cette variante d’échangeurs à plaque est constituée de plaques
corruguées en acier inoxydable assemblées par brasure sous vide, éliminant ainsi l’emploi de
joints et armatures de serrage, ce qui réduit considérablement leur taille.
Les performances de transfert des échangeurs brasés varient en fonction du fabricant et
peuvent aller jusqu’à 600 kW et plus. Quant à la pression et la température de service, elle
peut atteindre respectivement 30 bars et 225°C.
V-3-3-3) Echangeur à plaques soudées :
Des chambres faites, d'une tôle emboutie soudée sur une tôle plane sont auto-
résistantes à la pression. Elles alternent avec des chambres sans point de contact permettant la
circulation de fluides chargé ou encrassant.
Il existe une très grande variété d’échangeurs à plaques soudées qu’il n’est pas
possible de présenter en totalité en raison du nombre très important de constructeurs dans ce
domaine.
V-3-3-4) Echangeurs à plaques ailettes :
En général, ils sont constitués par des plaques en aluminium brasé et ondulées de
manière à procurer une surface d’échange secondaire allant jusqu’à 90 % de la surface totale,
ce qui en fait des échangeurs très compacts (compacité comprise entre 850 à1500 m2/m3).
Par ailleurs, la bonne conductivité de l’aluminium, sa rigidité ainsi que sa légèreté font de ces
échangeurs des équipements particulièrement appréciables dans le domaine de la cryogénie où
les plages de température peuvent varier de -270 °C à 200 °C et des niveaux de pression
atteignant exceptionnellement 120 bars.
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 73 CE/MASTER
V-3-3-5) Echangeurs à spirale :
Généralement constitués de deux ou quatre bandes de tôle enroulées et maintenues
parallèles (par des taquets soudés sur les plaques) autour d’un collecteur central cylindrique,
ils sont assez compacts (jusqu’à 150 m2/m3).
Les tôles sont soudées bord à bord de chaque côté du cylindre pour assurer l’étanchéité inter-
circuit.
L’écoulement circulaire du fluide provoque un écoulement turbulent qui augmente la
capacité de l’échange et empêche les solides en suspension de se déposer.
Les plages d’utilisation vont de -40 à 300°C en température et du vide absolu à 25 bars
en pression.
V-4) Principe de fonctionnement :
Généralement, sauf cas très particuliers d’échange fluide-solide (ou assimilé), les
échangeurs permettent un échange de chaleur entre deux fluides en mouvement .ils sont dits :
• à surface les deux fluides sont séparés par une paroi.
• à contact direct ou à mélange lorsque les deux fluides sont mélangés.
V-4-1) Les échangeurs à surface :
L’échange de chaleur entre deux fluides séparés par une paroi est caractérisé
localement par :
• Le potentiel thermique local ∆θ, différence de température entre les deux fluides.
• L’élément de surface d’échange dA mis en œuvre.
• La résistance au transfert R, résultante de diverses résistances en série et correspondant :
- au transfert par convection entre le fluide chaud et la paroi.
- au transfert par conduction à travers la paroi.
- au transfert par convection entre la paroi et le fluide froid. Au salissement éventuel de
chaque côté de la paroi.
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 74 CE/MASTER
Fig.V.5: Résistances au transfert
En régime permanent la loi de transfert caractérisant l’échange s’exprime sous la
forme : flux = potentiel/ résistance, le flux Φ étant le débit de chaleur par unité de surface
d’échange,soit : ∅ = ��/�� = ∆�/ = . ∆� .
V-4-2) Les échangeurs à contact direct (ou à mélange) :
Aucune paroi ne sépare les deux fluide qui sont alors mélangés, les applications dans
le domaine du raffinage se trouvent en conséquence limitées .Toutefois, lorsque les deux
fluides peuvent être séparés facilement et que la contamination n’est pas un problème majeur,
les échangeurs à mélange peuvent être utilisés, c’est en particulier le cas de l’échange entre
une phase liquide et une phase gazeuse, le transfert de chaleur étant lié au phénomène de
transfert de masse entre phases.
Le débit de chaleur transféré est conditionné localement par :
• Le potentiel thermique localθ∆ , différence de température entre les deux phases.
• L’élément de volume de contact entre les deux phases dν .
• La résistance au transfert, résultant de :
- la résistance due à la phase liquide, généralement très faible.
- La résistance due à la phase gazeuse.
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 75 CE/MASTER
V-5) Mode de circulation des fluides :
L’organisation de la circulation des fluides de chaque côté de la paroi constituant la surface
d’échange correspond à différents modes de base ou à des combinaisons entre ces modes.
Seules les solutions technologiques les plus utilisées sont présentées dans ce qui suit :
V-5-1) Ecoulement des deux fluides parallèles et de même sens :
Il s’agit d’échangeurs dits à co-courants où la température de fluide froid ne peut pas
être supérieure à la température de sortie du fluide chaud. Les températures des fluides
évoluent pendant leur traversée longitudinale de l’échangeur, à moins que l’un des fluides ne
subisse un changement de phase, auquel cas sa température reste constante.
V-5-2) Ecoulement des deux fluides parallèles mais de sens contraires :
Il s’agit d’échangeurs à contre-courants où la température de sortie du fluide froid peut
dépasser la température de sortie du fluide chaud. Cette disposition est l’une des plus
favorables pour l’échange thermique. De la même façon que précédemment.
L’avantage de l’échangeur à contre-courants sur l’échangeur à co-courants est de
nécessiter, pour un même flux de chaleur, des surfaces d’échanges plus faibles.
V-5-3) Ecoulement des deux fluides croisés avec ou sans brassage :
Les deux fluides s’écoulent perpendiculairement l’un à l’autre. Le fluide non brassé est
canalisé : c’est celui dont la veine est divisée entre plusieurs canaux parallèles distincts et de
faible section. L’autre fluide circule librement entre les veines et peut être considéré comme
partiellement brassé du fait des tourbillons générés par les tubes.
Le brassage a pour effet d’homogénéiser les températures dans les sections droites de
la veine fluide. Sans cela, les températures varient non seulement avec la direction de
l’écoulement, mais aussi dans la section de veine.
Les trois écoulements précédemment décrits, à co-courants, à contre-courants, à
courants croisés sont rarement utilisés dans toute leur simplicité. En effet, un échangeur se
réduit rarement à un tube unique ou deux plaques, néanmoins, l’étude de ces cas élémentaires,
dans le cadre d’une première approche, est nécessaire : l’échangeur industriel étant en général
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 76 CE/MASTER
constitué par un grand nombre de tubes ou de plaques créant ainsi des problèmes
supplémentaires.
Par ailleurs, la conception des échangeurs de chaleur introduit le choix entre deux
géométries élémentaires principales :
- Les tubes, qui fixent l’espace dévolu seulement à l’un des deux fluides.
- Les plaques, planes ou corruguées, choisies pour un fluide qui impose la même géométrie
pour l’autre.
Souvent, le choix des combinaisons entre différents types d’échangeurs dans les installations
industrielles résulte de contingences technologiques et économiques.
V-6) Recommandation sur le choix des paramètres de l’échangeur :
V-6-1) Choix du diamètre des tubes :
Pour une même vitesse du fluide, la diminution du diamètre des tubes permet
d’augmenter le nombre de ces derniers dans le faisceau et par conséquent de diminuer
l’encombrement de l’appareil. Toute fois, l’augmentation du nombre de tubes pose des
problèmes supplémentaires (beaucoup d’assemblage des tubes sur les plaques tubulaires,
risque de coulage aux mandrinages, résistances hydrauliques supplémentaire, complication
de nettoyage des tubes…ect).
Les diamètres extérieurs des tubes couramment employés dans l’industrie sont 22, 25,
32 et 38 mm. Les petits diamètres sont appliqués pour les produits purs et peu visqueux.
V-6-2) Choix de la vitesse dans les tubes :
L’augmentation de la vitesse d’écoulement du fluide dans les tubes améliore le
coefficient correspondant de transfert de chaleur et mène la diminution de la surface
d’échange de l’appareil.
Etant donné que les pertes de charge dans l’appareil sont proportionnelles à la vitesse
d’écoulement, la valeur maximale de cette dernière est conditionnée par les pertes de charge
admissibles.
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 77 CE/MASTER
� Remarque :
Le coefficient global K augmente avec la vitesse .Si le coefficient local α dans la
calandre est suffisamment élevé et les résistances thermiques ∑δi /λi sont petites.
Si le coefficient local dans la calandre est beaucoup plus petit que celui qui se trouve dans les
tubes (exp. le gaz circule dans la calandre et le liquide passe à travers les tubes) Alors
l’augmentation de la vitesse dans les tubes n’influe pratiquement pas sur K.
V-6-3) Choix de la longueur des tubes :
Habituellement, la détermination de la longueur des tubes est l’objet du calcul.
Étant donné que dans les échangeurs on utilise les tubes standardisés, la longueur calculée
doit être arrondie.
Les longueurs des tubes utilisés industriellement sont (en mm) : 1000 , 1250 , 1500 ,
V-6-4) Critères de choix de la circulation des fluides :
Les fluides considérés comme sales , corrosifs, polluants, visqueux et chauds, lourds,
passent côté faisceau à l’intérieur des tubes .Ceci pour faciliter le changement des tubes afin
d’éviter les émanations de gaz.
Les fluides clairs, propres passent côté calandre.
V-6-4-1) Organisation de la circulation côté tubes/côté calandre :
Il est des cas particuliers pour lesquels la circulation s'impose : dans un kettle le fluide
à vaporiser est côté calandre, il en est de même pour le fluide à condenser dans un condenseur
à eau horizontal.
Sinon, le côté tubes est de préférence affecté au :
• Fluide sous la plus haute pression : Un tube résiste mieux à la pression intérieur qu'à la
pression extérieur, une plus grande épaisseur de paroi ne s'applique qu'aux chambres de
distribution et de retour de dimensions plus modestes que celle de la calandre.
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 78 CE/MASTER
• Fluide à température élevée: A plus haute température le taux de travail admissible pour
le matériau diminue, nécessitant une plus grande épaisseur, cela peut conduire à prendre
un acier pour lequel la contrainte admissible est supérieur, par ailleurs les pertes
thermiques sont limitées.
• Fluide corrosif : Le coût des matériaux à mettre en oeuvre ne se répercute pas côté
calandre.
• Fluide salissant : Le nettoyage mécanique de l’intérieur des tubes est plus facile que celui
du faisceau côté calandre.
• Fluide entraînant dépôts et sédiments : L'entraînement et le nettoyage sont plus faciles
Le coté calandre est généralement réservé au :
• Fluide visqueux pour lequel il est plus facile de régler la vitesse de circulation, donc
transfert et perte de charge, en jouant sur le type et le nombre de chicanes transversales.
• Fluide de plus haut débit pour les mêmes raisons que celles évoquées précédemment.
Par ailleurs, il faut prendre en compte d'éventuels impératifs de sécurité face aux
risques de ruptures et aux risques de fuites (dont le sens doit être apprécié selon les niveaux de
pression) dans le cas de fluide inflammable, toxique, polluant pour l'environnement ou l'autre
fluide, ou encore susceptible de réaction chimique avec l'autre fluide.
Dans certains cas, il y a « compétition » entre les fluides ; par exemple, lorsque du gaz
naturel sous haute pression est refroidi par de l'eau de mer, les deux fluides sont justiciables
du côté tubes, ce qui amène, sauf choix du titane très onéreux, à utiliser un circuit
intermédiaire d'eau de réfrigération traitée pour échapper à la problématique.
V-7) Paramètres influençant la performance d’un échangeur :
La performance d’un échangeur dépend de la qualité du transfert de chaleur entre les
deux fluides et du mode de circulation utilisé.
Il ne s’agit pas ici d’aborder les différentes méthodes de calcul permettant de
déterminer les coefficients de transfert globaux, ainsi que les lois d’échange pour chaque
mode de circulation rencontrée .Toutefois, une approche qualitative de l’influence des
différents paramètres est faite dans la mesure où elle éclaire sur le choix des solutions
technologiques appropriées.
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 79 CE/MASTER
V-7-1) La qualité de transfert local :
Les échangeurs par convection entre fluides et paroi et par conduction à travers la
paroi sont caractérisés par des résistances spécifiques auxquelles s’ajoutent celles dues au
salissement éventuel introduit par chacun des deux fluides.
V-7-1-1) Transfert par convection- coefficient de « film » :
Les lois de transfert par convection sont très complexes car elles sont liées aux lois de
l’écoulement, le régime hydrodynamique jouant un rôle essentiel dans le mécanisme des
échangeurs thermiques, ainsi qu’aux lois de la conduction intervenant au niveau de la paroi.
Ceci conduit à des lois différents selon que l’échange se fait sans ou avec changement
de phase de l’un et (ou) l’autre des deux fluides, que la convection est naturelle ou forcée, que
l’écoulement est laminaire ou turbulent, horizontal ou vertical (ascendant ou descendant),
soumis à une force centrifuge (Serpentin), plus ou moins perturbée par la paroi…etc.
Malgré cette diversité, on cherche à exprimer la loi de transfert local sous la forme :
Φ = ∆ /� = ℎ. ∆ .
Avec :
∆θ= potentiel thermique local.
R = la résistance au transfert.
h= le coefficient de transfert global (coefficient de film).
V-7-1-2) Convection sans changement de phase (écoulement monophasique) :
Les différents paramètres sont de trois types :
• Les caractéristiques géométriques.
• Les conditions opératoires.
• Les caractéristiques du fluide.
Quelques soit la spécificité de la convection, ces paramètres interviennent toujours
sous la forme générale de la relations entre des nombres sans dimension tels que :
• Nu : Nombre de Nusselt : �� = ℎ. �/�.
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 80 CE/MASTER
Re : Nombre de Reynolds : �� = �.�. �/� = �. �/� = �. �/�.
Pr : Nombre de Prandtl :�� = �� . �/� .
• St : Nombre de Stanton : �� = ��/�� = ℎ/�. �.
• Pe : Nombre de Péclet : �� = ��. ��. �. �. �/�.
Avec :
D : longueur caractéristique de la géométrie.
u : vitesse moyenne.
G= ρ u : vitesse massique.
C : chaleur massique.
µ : viscosité dynamique.
ν = µ / ρ : viscosité cinématique.
λ : conductibilité thermique.
Ces grandeurs étant exprimées dans un système d’unités cohérent.
Par exemple, en négligeant certaines corrections mineures, le coefficient de film interne en
convection forcée à l’intérieur d’un tube pour des gaz ou liquides organiques peut s’évaluer
par :
Nu = 1,86
Pr.Re.
l
di 1/3.
En régime laminaire (Re < 2100), et
Nu = 0,023 Re0, 8 Pr 1/3.
En régime turbulent (Re > 10 000).
di et l sont respectivement le diamètre intérieur et la longueur du tube.
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 81 CE/MASTER
V-7-2) Influence des caractéristiques géométriques :
Le choix se fait au niveau de la conception des appareils ,en particulier on cherche à
obtenir des vitesses de circulation permettant un écoulement en régime turbulent ,ce qui n’est
pas toujours possible pour les produits très visqueux ,par ailleurs les vitesses sont limitées par
différentes contraintes :
- Risques d’érosion et de vibration.
- Pertes de charges admissibles ou économiques.
En particulier, la conception d’un échangeur ou un arrangement d’échangeur est
presque toujours le résultat d’un compromis transfert de chaleur, pertes de charges. Dans le
cas de pertes de charges allouées, il y a intérêt à les saturer pour assurer le meilleur transfert,
sous réserve de la prise en compte d’autres contraintes évoquées précédemment.
Pour des faisceaux multi-passes devant être logés dans des calandres cylindriques le
nombre de passes est généralement pair. Ils permettent des solutions technologiques simples
pour l’organisation de la distribution et du retour du fluide. Pour 4 passes côté tubes.
Pour un même faisceau et en supposant que le régime d’écoulement soit turbulent, le
passage de 1à 2 passes côté tubes se traduit par :
- Un doublement de la vitesse.
- Une multiplication du coefficient de film interne par (2)0.8 = 1,74.
- Une multiplication de la perte de charge par (2)2 × 2= 8.
Le nombre de passes côté tubes permet ainsi de régler le coefficient de film interne, les
pertes de charge admissibles ou économiques imposant la limite ; ces ajustements ne peuvent
être faits que de manière discrète.
Le fluide est obligé à un écoulement transversal au faisceau entre deux chicanes
consécutives et à un mouvement horizontal dans l’ouverture de la fenêtre de chacune des
chicanes .Bien entendu la perte de charge est d’autant plus grande que le nombre de chicanes
est important et que la segmentation est faible, lorsqu’elle est prohibitive des solutions
dérivées peuvent être envisagées.
Chapitre V les échangeurs de chaleur
FST2017 82 CE/MASTER
Telles que double ou triple segmentation et disks and doughnuts (disques et
couronnes).
A titre indicatif, les vitesses moyennes de circulation sont les suivantes :
Pour les liquides : 1 à 2,5 m/s côté tubes.
0,3 à1 m/s côté calandre.
Pour les gaz : 45 à 80 m/s sous vide.
12 à 30 m/s sous pression atmosphérique.
6 à 12 m/s sous pression > pression atmosphérique.
Les vitesses permises étant d’autant plus grandes que la masse volumique est plus faible.
Par ailleurs, des turbulences localisées peuvent être obtenues par l’utilisation de
géométries particulières, telles que tubes torsadés ou moletés en spirale « Corruguées »,
ondulations crénelées ou plaques cannelées dans les échangeurs « compacts ».
V-7-3) Influence des conditions opératoires :
Les géométries étant fixées, le coefficient de convection dépend du débit de fluide, une
modification du débit peut être due à une adaptation de la capacité de l’unité concernée aux
besoins de production ou à des changements de conditions opératoires de température et de
pression du procédé.
En opération, une modification de débit peut être également un moyen de réglage, la
régulation de température de sortie d’un fluide de procédé étant assurée par adaptation du
débit de fluide de réfrigération ou de réchauffage.
V-7-4) Influence des caractéristiques du fluide :
Comme indiqué plus haut, les caractéristiques intervenant sont :
• La viscosité.
• La conductibilité thermique.
• La chaleur massique.
Chapter VI Simulation
FST2017 83 CE/MASTER
VI- Généralités sur la simulation : Introduction :
La simulation est une forme particulière de l’expérience, dans une expérience
ordinaire (au laboratoire), l’expérimentateur exerce une action directe sur l’objet à étudier, par
contre, dans la simulation, ce contacte n’existe pas en ce sens que l’expérimentateur n’agit pas
directement sur l’objet mais sur son modèle mathématique.
La simulation est l’utilisation d’un modèle mathématique adéquat pour étudier
le comportement d’un système physique.
Un modèle mathématique est un ensemble d’équations qui décrivent le comportement d’un
système à étudier (opération unitaire). Ces équations sont souvent des relations de
conservation de masse, d’énergie et des équations de conservation de quantité de mouvement.
En utilisant cet aspect mathématique de raisonnement, la simulation offre un avantage
majeur et important, car elle fournie une bonne approche du comportement du système réel.
De nos jours, vu le développement considérable de logiciels informatique, la simulation est
devenue un outil de travail indispensable pour l’ingénieur de génie chimique.
Le fonctionnement d’un simulateur est basé essentiellement sur le choix d’un modèle
thermodynamique représentant mieux le système à étudier.
Les différentes aches qu’un simulateur de procédé devrait effectuer sont :
• La résolution des bilans de matières et d’énergie.
• Le dimensionnement des équipements.
• L’évaluation économique du procédé.
• L’optimisation du procédé.
Et pour la réalisation de celle-ci, un simulateur doit contenir :
• Une bibliothèque de modèle de calcul des propriétés physiques
et thermodynamique des corps purs et des mélanges, couplée à une banque
de données de corps purs.
• Une bibliothèque de modules standards de simulation des opérations unitaires les
plus couramment présentés dans un procédé de fabrication.
• Une bibliothèque de modules de méthodes numériques algébriques.
• Une bibliothèque de modules de génération de diagnostiques.
Chapter VI Simulation
FST2017 84 CE/MASTER
VI-1) Le choix du modèle thermodynamique :
Les logiciels de simulation donnent accès à plusieurs modèles thermodynamiques pour
la prédiction de l’équilibre liquide vapeur, d’enthalpie et d’entropie ainsi que les propriétés
de transports.
La réussite de la simulation dépend du choix du modèle thermodynamique, parce que
ce dernier est établi pour une classe de fluide et un domaine de conditions P et T
recommandés en utilisant des hypothèses et des suppositions pratiques. On peut distinguer :
VI-1-A) Modèles d’activité :
Ces modèles sont surtout utilisés pour les systèmes qui présentent une forte polarité.
Parmi ces modèles : le modèle de MARGULES et le modèle UNIQUAC.
VI-1-B) Modèles hétérogènes :
Ces modèles sont recommandés pour les systèmes de constituants présentant une forte
polarité (fort déviation à l’idéalité, azéotropiques…ect).Dans ces modèles les phases vapeurs
sont représentées par les équations d’états, et les phases liquides par des corrélations pour
le calcul des coefficients de fugacité.
Leurs utilisations restent limitées à cause de la nature empirique des corrélations proposées et
qui nécessitent des extrapolations en dehors des conditions expérimentales.
VI-1-C) Modèles basés sur les équations d’état :
Les modèles thermodynamiques basés sur les équations d’état sont utilisés pour le
calcul des systèmes d’hydrocarbure et des systèmes de faible non idéalité. Ils peuvent être
utilisés pour calculer des propriétés thermodynamique tel que : le constant d’équilibre K,
l’entropie, l’enthalpie et la densité.
Leurs supériorités par rapport aux autres modèles résident dans le fait de l’utilisation
des coefficients d’interaction binaires.
VI-2) Equations d’état usuel :
VI-2-1) Equation de SOAVE et de PENG-ROBINSON :
Les équations de SOAVE (1972) et PENG-ROBINSON (1976) différent de l’équation
de REDKICH-KWONG par l’introduction d’une fonction a(T) qui dépend du facteur
acentrique.
L’équation de SOAVE est de la même forme générale que l’équation (1)
Chapter VI Simulation
FST2017 85 CE/MASTER
( )( )bVV
Ta
bV
RTP
+−
−= ……….… (1).
SOAVE a introduit les relations suivantes pour exprimer la fonction a(T) :
( ) ( )Rc TaTa α= ………………..… (2).
Avec :
( ) ( )[ ]211 RR TmT −+=α ……….… (3).
Le coefficient m est calculé en fonction du facteur acentrique ω :
2176.0574.1480.0 ωω −+=m …… (4).
L’équation de PENG-ROBINSON diffère de l’équation de SOAVE par l’expression
du terme d’attraction. Elle a été introduite en vue d’améliorer les résultats obtenus par
l’équation de SAOVE, notamment en ce qui concerne le calcul des densités en phase liquide,
sans modifier le nombre de paramètres :
( )( ) ( )bVbbVV
Ta
bV
RTP
−++−
−= …… (5).
Les termes a(T) et b sont définis comme suit :
( )RC
C TP
TRa α
22
45724.0= …………… (6).
Le terme α(TR) présente la même forme générale que dans le cas de l’équation de SOAVE.
Il suit la relation (3), mais la fonction reliant le paramètre m au facteur acentrique ϖ est
différente :
226992.054226.137464.0 ωω −+=m ………………….….… (7).
C
C
P
RTb 0778.0= …………………… (8).
Ces équations sont très largement utilises dans les modèles de simulation, en production et
traitement de gaz.
L’équation la plus recommandée pour les systèmes d’hydrocarbures est l’équation de
PENG ROBINSON, car elle résout correctement les problèmes d’équilibre et permet de
prédire des densités liquides plus en accord avec les valeurs réelles que les autres équations.
Chapter VI Simulation
FST2017 86 CE/MASTER
• Domaines d’applications de l’équation de PENG ROBINSON.
Tableau-1 :
Equation Température °C Pression Kpa
PR >-271 100000(10E3bar)
VI-2-2) Les équations les plus utilises : On peut également citer :
• L’équation de BENEDICT, WEBB et RUBIN (BWR).
• L’équation de SBR.
• L’équation de CARNAHAN et STARLING (1969).
• L’équation de BACK présente par CHEN et KREGLEWSKi (1977).
• L’équation de PHCT proposée par BERET et PRAUSNITZ (1975).
• L’équation de SOAVE-REDLICH-KWONG (SRK).
• L’équation de SRK-KABADI-DANNER (SRKKD).
• L’équation de SRK-HURON-VIDAL (SRKH).
• L’équation de SRK-PANAGIOTOPOULOS-REID (SRKP).
• L’équation de SRK-MODIFIED PANAGIOTOPOULOS-REID (SRKM).
• L’équation de SRK-SIMSCI (SRKS).
• L’équation de SRK-HEXAMER (HEXAMER).
• L’équation de PR-HURON-VIDAL (PRH).
• L’équation de PR-PANAGIOTOPOULOS-REID (PRP).
VI-3) Description du simulateur HYSYS :
Le HYSYS est un logiciel de simulation des procédés de génie chimie, développé par
la société canadienne HYPROTECH. Il a été conçu pour permettre le traitement d'une vaste
gamme de problèmes allant de la séparation bi, tri phasique simple jusqu'à la distillation
et la transformation chimique.
Le logiciel HYSYS est un outil de dimensionnement utilisé pour s’assurer que les
conceptions optimales sont identifiées. Il est aussi utilisé pour modéliser les unités existantes
et assurer que les équipements sont par spécification performants, ainsi évaluer et améliorer
les procédés existants.
Chapter VI Simulation
FST2017 87 CE/MASTER
Les ingénieurs engagés dans l’engineering de design utilisent le logiciel HYSIS pour
faire des calculs rapides en utilisant des modèles efficaces et des techniques optimales.
La simulation par HYSYS réduit les coûts de l’engineering par :
• Des calculs rapides de différents designs en utilisant des modèles efficaces et des
techniques optimales pour s’assurer que les équipements du procédé sont
correctement spécifiés afin de délivrer les caractéristiques du produit voulues aux
rendements de la production désirés.
• Création de modèles qui peuvent être appliqués durant le fonctionnement de
l’unité à partir du design de conception jusqu’aux détails : Estimation, formation et
optimisation.
Le HYSYS demande, pour définir ces corps, de remplir un tableau de valeurs à utiliser
lors des calculs. En outre, pour caractériser les mélanges d'hydrocarbures complexes, il est
possible d'utiliser les résultats d'analyses normalisées telles que TBP, ASTM, Kuop…etc.
Le HYSYS va par la suite utiliser ces données pour générer un nombre fini (choisi par
l'utilisateur) de pseudo corps repérés par Leurs points d'ébullition normaux pour représenter
ces mélanges.
En option, le simulateur peut lire d'autres banques de données telles que la DDB,
DIPPR, API, GPA, etc. Cette option permet aussi d'utiliser les propriétés physiques déjà
stockées dans la banque de données de HYSYS.
Chapitre VII La Sécurité
FST2017 88 CE/MASTER
VII- SECURITE : VII-1) Définition : - C’est un ensemble de règles et moyens techniques et d’hygiène et également un état
d ‘esprit dont la finalité est de créer certaines conditions de travail en éliminant les accidents et les avaries.
- Les conséquences qui apparaissent en cas de négligences ou d’ignorance des règlements
de sécurité sont tellement graves que la connaissance de ceux-ci est obligatoire, la sécurité technique s’intéresse essentiellement à l’homme, aux appareils et procédés technologiques et à une organisation de travail. Elle s’inspire et se base sur le résultat de plusieurs sciences telles que :
� L’organisation scientifique de travail (O.S.T). � Les sciences techniques. � Les sciences médicales.
VII-2) Organisation de la sécurité : - Pour créer un milieu de travail sain et sûr, pour augmenter la production, et pour
conserver la vie du personnel et diminuer au maximum les accidents, il faut installer un service de sécurité, doter d’un système de mesures et des moyens techniques et organisationnels qui limitent l’influences de facteurs industriels dangereux sur les travailleurs et ainsi garantissant la sécurité des équipements installés ; pour que la sécurité puisse être bénéfique, il faut que les responsables du service concerné soient chargés de :
- Définir une politique de sécurité industrielle. - La mise en place d’une structure prenant en charge cette politique et ses objectifs. - Etudier les normes, consignes et procédures de sécurité spécifiques à l’entreprise. - Organiser des campagnes d’informations pour l’ensemble des travailleurs. - Veillez au respect de l’application de toutes les consignes données par le service de
sécurité. VII-3) Sécurité dans l’atelier : - Dans le but d’assurer la sécurité du personnel et du matériel au sein de l ‘atelier
mécanique et afin de prévenir tout incident lors de la réparation des équipements, les constructeurs fournissent les consignes de sécurité et les règles d’entretien, de réparation qui permettent d’effectuer l’opération sans danger, il est nécessaire pour les mécaniciens de respecter ses consignes.
Chapitre VII La Sécurité
FST2017 89 CE/MASTER
- A l’atelier mécanique, la sécurité fût, fait, l’objet de mesures que l’on trouve dans l’une
des catégories suivantes :
� Maintenir la zone de travail ou la machine sera démontée bien propre et bien rangée. � Maintenir les outils propres et bien rangés pendant les travaux de remontage ; les
mains des ouvriers doivent être aussi propres. � Il faut absolument utiliser encore dans les installations surtout de gaz, l’outillage anti - étincelles.
VII- 4) Sécurité de l’unité de traitement et recyclage de RHOURDE-NOUSS : VII-4-1) LES MOYENS HUMAINS : La division sécurité de Rhourde - Nouss gère un effectif de 88 agents repartis a travers les structures ci après :
1. Service Prévention. 2. Service Intervention. 3. Cellule Protection de l’environnement.
VII-4-2) Les moyens matériels : Le centre de traitement et recyclage de Rhourde – Nouss est protégé par un réseau anti-incendie composé de : ♦ Les moyens fixes. ♦ Les moyens mobiles.
VII-4-2-A) Les moyens fixes : VII-4-2-A -1) Réseau eau anti-incendie : Le réseau eau anti-incendie est une boucle maillée qui permet l’intervention rapide en cas de sinistre sur plusieurs points tout autour du réseau. Celui-ci est fourni à partir d’une installation d’alimentation constituée de :
♦ Quatre (04) pompes de 500 [m3/h] dont deux (02) entraînées par moteurs électriques et
deux (02) entraînées par moteurs Diesels.
♦ Deux (02) pompes électriques de 50 [m3/h] destinées pour le maintien de pression du réseau à 6 bars.
Chapitre VII La Sécurité
FST2017 90 CE/MASTER
♦ Un (01) bac d’eau d’une capacité 12400[m3/h].
♦ Poteaux incendie installés sur les principales routes assurant l’intervention rapide
(Q= 100mm).
♦ Lances monitors de diamètres (Q =70mm).
♦ Canons (eau / mousse) installés dans la zone de stockage. VII-4-2-A- 2) Réseau d’extinction fixe :
♦ Système d’extinction à mousse : La mousse est utilisée pour éteindre le feu
d’hydrocarbure dans la zone de stockage (unité 83). Tous les bacs sont équipés d’un
système de lutte contre les incendies à mousse. Donc l’extinction des feux sur les bacs de
stockage, exige l’utilisation de la mousse pour couvrir la surface d’hydrocarbure grâce à
un dispositif d’injection de mousse qui se fait à travers les déversoirs à mousse et lance
mousse installés dans les quatre (04) coins pour l’extinction de feu de la cuvette de
retention.
♦ Système d’extinction à CO2 automatique : Ce système est installé au niveau :
1. des sous-stations électriques. 2. Unités compression et réinjection (pour la protection des turbines).
♦ Système d’extinction à poudre sèche automatique : Ce système est installé au
niveau des compresseurs.
♦ Système à hallon automatique : Ce système est installé au niveau de la salle de contrôle. VII-4-2-A-3) Moyens de détection :
Il existe deux types de détection à savoir :
♦ Détection portable (Explosimètre) : Celui-ci est destiné pour le contrôle du pourcentage
de gaz au vapeur combustible dans l’air.
♦ Détection fixe : Celui-ci est défini par l’installation d’appareils sonores qui se déclenchent à chaque sensibilité due a l’existence de fumée ou d’élévation de température au niveau des sites et équipements résumés dans le tableau ci-après :
Chapitre VII La Sécurité
FST2017 91 CE/MASTER
Tableau-1 : Moyenne de détection fixe. Zones Types de détecteurs Types d’extinctions
Salle de contrôle Fumée Hallon 1301 Laboratoire Température Hallon 1301
Compresseur Fumée A poudre S/station électrique Fumée A CO2
VII-4-2-A-4) Différents moyens de communication : ♦ Moyens de communication : Qui sont la radio et l’Interphone.
♦ Moyens d’alerte : Qui sont sirènes.
VII-4-3) Les moyens mobiles :
VII-4-3-A) Extincteurs :
Le nombre des extincteurs existants au niveau de complexe en quatre catégories entre portatifs et extincteurs sur roues :
♦ Extincteurs portatifs à eau pulvérisation.
♦ Extincteurs sur roues à poudre sèche (50Kg). ♦ Extincteurs portatifs à poudre (9Kg). ♦ Extincteurs portatifs à CO2.
VII-4-3-B) Equipements d’intervention mobile : ♦ Un camion anti - incendie comportent les agents d’extinction eau (9000 l), émulseur
(2500l) et poudre (1000Kg). ♦ Un camion anti - incendie comportent les agents d’extinction eau (900 l), avec une pompe
(300) m3/h. ♦ Une motopompe de (180) m3/h.
Problématique
FST2017 92 CE/MASTER
PROBLEMATIQUE
Notre étude est portée sur le calcul de vérification de la colonne de stabilisation du
condensat et de l’échangeur E04 A/B, dans la section basse pression du train 40, de l’usine de
RHOURDE NOUSS.
Partie 1 : la colonne de stabilisation.
- Validation du modèle thermodynamique utilise par le logiciel de HYSYS.
- Vérification de la colonne de stabilisation du condensat pour le design.
- Vérification de la colonne de stabilisation du condensat pour la charge actuel.
- Cas d’arrêt d’un train et leur débit passe par l’autre colonne.
Partie 2 :l’échangeur 40-E04A/B.
Il y a un percement dans l’échangeur 40-E04A/B qui cause un mélange de condensat
stable au niveau des tubes avec celui non stable coté calandre, ce qui provoquera
l’augmentation de la TVR du condensat stable. Le mélange résultant constitue ce que
l’on appelle condensat hors spécification, qui sera envoyé vers un bac de stockage
spéciale (à toit fixe).
La vérification va suivre les étapes suivantes :
- Cas design.
- Cas actuel (avec 55 tubes fermé-bouché).
- Cas d’arrêt d’un train et leur débit passe par l’échangeur 40-E04A/B avec 55 tubes
bouchés (5٪).
- La charge maximale de l’échangeur avec 55 tubes fermé-bouché.
- La charge maximale de l’échangeur avec la diminution de nombre des tubes.
Chapitre VIII Partie calcul
FST2017 93 CE/MASTER
� Les données :
• Caractéristiques et propriétés du condensat stabilisé :
- TVR.
- La densité.
- Température de stockage (sortie de l’échangeur).
• Spécification du condensat :
- TVR≤ 10 PSI.
- La densité du condensat entre 710-760 Kg /m3.
- Température de stockage est 450C.
• Caractéristiques et propriétés de la colonne de stabilisation :
Densité (kg/m3) 710÷760 713.4 Avec le dédit actuel entrant la colonne et les paramètres de design le condensat à la sortie de la colonne n’est pas stable, il fout changer les paramètres (température, pression, température de rebouillage) pour obtenir un condensat stable.
3-2) Avec le débit actuel et les paramètres actuels :
3-2-1) Spécifications du condensat a la sortie de la colonne :
Tableau : 13
Spécification normes calcul TVR (psia) ≤ 10 9.238
Densité (kg/m3) 710÷760 715.4
Chapitre VIII Partie calcul
FST2017 102 CE/MASTER
3-2-2) Evolution de la température et la pression au niveau des plateaux :
Fig.4 : Evolution de la pression au niveau de chaque plateau.
Fig. 5 : Evolution de la température au niveau de chaque plateau.
21,6000
21,8000
22,0000
22,2000
22,4000
22,6000
22,8000
23,0000
23,2000
23,4000
pression(kg/cm2)
pression
0,0000
50,0000
100,0000
150,0000
200,0000
250,0000
300,0000
température(0C)
température
Chapitre VIII Partie calcul
FST2017 103 CE/MASTER
3-2-3) Evolution des débits liquide et vapeur au niveau de chaque plateau :
Fig.6 : Evolution des débits liquide et vapeur au niveau de chaque plateau.
3-2-4) Vérification du bilan matière :
3-2-4-1) Bilan matière global :
F + L = D + R.
F : débit molaire de la charge froide.
L : débit molaire de la charge chaude.
D : débit molaire de distillat.
R : débit molaire de résidu.
Tableau 14 : Débit du F, L, D, R, dans la colonne.
F (kg mol/h) L D R 54.21 216.9 66.99 204.3
0,0000
50,0000
100,0000
150,0000
200,0000
250,0000
300,0000
350,0000
400,0000
450,0000
débit liquide
dédit vapeur
Chapitre VIII Partie calcul
FST2017 104 CE/MASTER
3-2-4-2) Vérification du bilan matière partiel :
Tableau : 15
X'f X'L Y'D X'R F*X'F L*X' L D*Y' D R*X'R H2o 0,0008 0,0008 0,0030 0,0000 0,0407 0,1628 0,2034 0,0001
Fig. I.7 : Schéma de l’unité de stockage du condensat ……………………………...…...…..17
Fig. II.1 : Production de gaz naturel en Algérie…………………………….………….……..30
Fig. II.2 : Répartitions des réserves gaziers en Algérie….........................................................31
Fig. II.3 : Schéma d’utilisation de C1, C2, C3, C4.....................................................................35
Fig. II.4 : Les produits issus du propane………………………………...…………………....36
Fig. II.5 : Les produits issus du butane……………………………………………………….37
Fig. III-1 : Schéma simplifié de la rectification ……………...................................................42
Fig. III-2 : Schéma d'une colonne à plateaux……………………………………………..…..45
Fig. III-3 : Schéma simplifié d’un Plateau perforé à déversoirs ..............................................46
Fig.III-4 : Schéma de calotte……………………………………………………………….....47
Fig.III-5 : Schéma de clapet …………….……………………………………………………48
Fig. III.6 : Schéma de la zone de rectification..........................................................................50
Fig. III.7 : Schéma de la zone d’épuisement.............................................................................51
Fig. V.1 : Schéma de l’échangeur à tête flottante.....................................................................67
Fig. V.2 : Schéma de l’échangeur à tubes en U (type CFU) …................................................67
Fig. V.3 : Schéma de l’échangeur à plaques tubulaires fixes (type BEM)...............................68
Fig. V.4 : Schéma de l’échangeur type Kettele (AKT).............................................................69
Fig. V.5 : Résistances au transfert............................................................................................74
Fig. VIII.1 : Evolution de température au niveau de chaque plateau (cas design)...................97
Fig. VIII.2 : Evolution de la pression au niveau de chaque plateau (cas design).....................98
Fig. VIII.3:Evolution du débit et le débit vapeur au niveau de chaque plateau (cas design)...98
Fig. VIII.4 : Evolution de la pression au niveau de chaque plateau (cas actuel)…................102
Fig. VIII.5 : Evolution de la température au niveau de chaque plateau (cas actuel)..............102
Fig.VIII.6:Evolution des débits liquide et vapeur au niveau de chaque plateau (cas actuel).103
Tab.I.1: La production entre 1988 et 2003 de RHOURDE-NOUSS……………………….5
Tab. I.2: La composition de gaz à traiter………………………………………………….....19
Tab. I.3: Spécification des différents produits…………….…...………...…………………..19
Tab.I.4: La température et la pression des courants entrant et sortant de l’usine de GPL…..20
Tab.II.1 : La composition d’un certain nombre de gaz naturel …………………...…....……21
Tab.II.2 : Offre potentielle de gaz - Scénario haut (en.Gm3) …………………………….... 25
Tab.II.3 : Offre potentielle de gaz - Scénario de référence (en Gm3) ...……………....……..26
Tab.II.4 : Demande mondiale de gaz par région (Cas de base)…………………...……...….28
Tab.II.5: Demande mondiale de gaz par région (Scénario Alternatif)………………………28
Tab.VI.1: Domaines d’applications de l’équation de PENG ROBINSON……………….…86
Tab.VII.1: Moyens de détection fixes………………………………………………………..91
Tab.VIII.1 : Dimensionnement de la colonne ……..……..…………………………..……... 93
Tab.VIII.2 : Caractéristiques des plateaux……………………………………………………93
Tab.VIII.3: Paramètres de l’échangeur E04A/B………………………………..………….…94
Tab.VIII.4 : Caractéristiques de l’échangeur ………………………………………………...94
Tab.VIII.5 : Comparaison entre les débits du résidu dans le design, SRK et
PENG-ROBINSION …………………………………………………………....……95
Tab.VIII.6 : Débits de c5 dans R et pour les modèle SRK et PENG- ROBINSION…………96
Tab.VIII.7 : Spécification du condensat (cas design)…………………………...……………97
Tab.VIII.8 : Débit du F, L, D, R dans la colonne (cas design)…………….……......………..99
Tab.VIII.9 : Vérification du bilan de matière partiel (cas design)……….……..……….……99
Tab.VIII.10 : Spécification de rebouilleur (cas design).………………………………….…100
Tab.VIII .11 : Débit du c5 dans L, F et R (cas actuel)………………………………...…….100
Tab.VIII.12 : Spécification du condensat (cas actuel)……………………....……...…...…..101
Tab.VIII.13 : Spécification du condensat a la sortie de la colonne (cas actuel)………….....101
Tab.VIII.14 : Débit du F, L, D, R dans la colonne (cas actuel)……………………………..103
Tab.VIII.15 : Vérification du bilan de matière partiel (cas actuel)………………………….104
Tab.VIII.16 : Spécification de rebouilleur (cas actuel)……………………………...……....104
Tab.VIII.17 : Spécification du condensat a la sortie de la colonne (cas d’arrêt d’un train)...105
Tab.VIII.18 : Les nouveaux paramètres de la colonne (cas d’arrêt d’un train)……..………105
Tab.VIII.19: Paramètres et caractéristiques de l’échangeur E04A/B (cas design)…………106
Tab.VIII.20: Paramètres et caractéristiques de l’échangeur E04A/B (cas actuel)………......107
Tab.VIII .21: Paramètres et caractéristiques de l’échangeur E04A/B
(Cas d’arrêt d’un train)…………………………………………………………..107
Tab.VIII.22: Paramètres et caractéristiques de l’échangeur E04A/B (avec le nombre des tubes actuel fermés)…………………….………………………………..…….108 Tab.VIII.23: Paramètres et caractéristiques de l’échangeur E04A/B (avec la diminution du nombre des tubes)……………………………………………………………109
Bibliographie
FST2017 CE/MASTER
Bibliographie
1-P. WUITHIER : Raffinage et génie chimique, Tomes I &II
2eme édition 1972 –Paris.
2-J.P.WAUQUIER : Procédés de séparation, Edition TECHNIP 1998 –Paris.
3-V.GRICHKO & R. ABDOULLAEV : Echangeurs de chaleur.
Edition INHC. Boumèrdès 1977.
4-Engineering PERRY HAND BOOK, Edition 1972. 5-Engineering DATA BOOK NINTH, Edition 1972.
6-Manuel opératoire de l’unité de traitement du gaz de RHOURDE NOUSS.
7-R. ABDOULLAEV& V. KOSSIAKOV : Théorie et calcul de la rectification
des mélanges complexes. Edition INHC. Boumèrdès 1977.
8- Skoblo A (1973), Méthodes et appareils de l’industrie du pétrole :