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Condensation de mélanges avec incondensables dans une géométrie à plaques

23 mars 2006

Etude expérimentale de la condensation de n-hexane et d’isopropanol avec incondensables : analyses thermiques et hydrauliques

Jérémie Malle, Patrice Clément, Patrice Tochon, André Bontemps

GREThE-LETH

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•Plan

– Contexte

– Objectifs de l’étude • Méthodes disponibles et choix

• Caractérisation expérimentale

– Moyens expérimentaux

– Résultats

– Conclusion - Perspectives



•Contexte

– Industrie chimique et pétrochimique

– Conception et utilisation de géométries complexes

– Plusieurs phénomènes couplés

• Condensation de mélanges

• Configuration des écoulements

• Engorgement des canaux en cas de reflux



•Objectifs de l’étude

– Choix d’une méthode adaptée• Courbe de condensation• Méthode du film

– Caractérisation monophasique des deux géométries testées• Coefficient de frottement• Coefficient d’échange simple phase

– Comparaison condensation descendante/à reflux

– Condensation à reflux• Limite d’apparition de l’engorgement



•Méthodes disponibles

– Méthode de la courbe de condensation• Transfert de masse négligé

– Méthode du film• Prise en compte du transfert de masse

– Paramètre de choix : nombre de Lewis• Détermination pour des mélanges binaires

– Propriétés physiques des fluides• Prophy de PROSIM (modèle SRK)



•Méthode de la courbe de condensation– Hypothèses

• Mélange gazeux en équilibre

• Transferts de masse faibles

– Données nécessaires• Propriétés physiques des fluides

V

g

condensatoncondensati

Z

11

dh

dTCpxZ vg



•Méthode du film

– Hypothèses• Le composant le plus

volatil forme un film gazeux à l’interface liquide/vapeur

– Données nécessaires• Propriétés de transport

• Coefficients de diffusion

Couche de diffusion

Vapeur

Incondensable

T

ParoiFluide froid Condensat

Mélange

αcondensation

Tp Tl T

TI

Tc

TP



•Nombre de Lewis– Pour des mélanges binaires

diffusiondetcoefficien

thermiqueédiffusivitLe

12D

a

Méthodes équivalentes pour

8.06.0 Le

Différence relative entre les deux théories, Webb, D.R., 1996

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•Calcul du coefficient de diffusion binaire– Relation la plus classique

D212

2

1

12

2

33-

12

M P

1 T 102.66

D

Hirschfelder et al. :

– Paramètres• T température, P pression• M masse réduite• σ diamètre de collision• ΩD intégrale de diffusion

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•Expression générale de ΩD (Hirschfelder et al., Molecular theory of gases and liquids, 1964)

• kB, constante de Boltzmann

• γ, vitesse réduite des molécules• χ, angle de déflection

• b, paramètre d’impact

– Calcul de pour des mélanges binaires• Dépend d’un paramètre ε12 (cf Reid et al., The Properties of gases and liquids,

1987)• Valeur finale tabulée dans la littérature, fonction de

0 0

1232

1212

,12 cos1

2 212

bdbde

Tk lsBsl

1,112

12

*

Tk

T B

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• Objectifs des essais

• Mieux connaître l’amélioration des performances

– Essais sur maquettes• Performances thermiques

• Performances hydrauliques

Corrélations spécifiques

Fluide

Géométrie

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•Boucle expérimentale CLARA

Légende

1-circuit gaz

2,3-circuit condensat

4-circuit eau

5-circuit liquide

6-pompe de circulation

7-surpresseur

8-vannes de régulations

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Fonctionnement

en condensation

à reflux

Sortie eau

Sortie hydrocarbure condensé(par gravité)

Entrée eau

Sortie mélange appauvriazote (non condensable)/hydrocarbure

Entrée mélange richeazote (non condensable)/hydrocarbure

3m

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•Sections d’essais– Section d’essais 1: corrugations à 75°

– Sections d’essais 2 et 3 : corrugations à 90°

Circuit eau

Circuit mélange

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•Plage de données

Puissance échangée 0 - 40 kWTempérature

hydrocarbure gaz15°C - 90°C

Température côté froid 0°C - 85°C

Composition moyenne en entrée

50%-50%

Gmélange 0 - 40 kg.m-2.s-1

Débit côté froid 4 - 15 m3/h

Débit de condensat 0,5 - 4,5 m3/h

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•Essais réalisés - Résultats

– Azote seul

– Condensation descendante/ à reflux

• isopropanol + azote

• n-hexane + azote

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•Essais en azote seul– Résultats

• Coefficients de frottement

0.30

0.80

1000 10000Gas Reynolds number

fan

nin

g f

acto

r

test section n°1

test section n°3

2

2

PP

G

cross

G

h

Gf

S

m

D

L

Pf

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• Essais en azote seul– Résultats

• Coefficient d’échange global U en simple phase

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

0 0.5 1 1.5

Experimental coefficient

Ca

lcu

late

d c

oe

ffic

ien

t

test section n°1

test section n°3

+ 10%

- 10%

Côté eau :

Dittus-Boelter modifié par Mc Adams

3

17.0 PrRe GGG aNu

Côté Gaz :

établissement de corrélations de la forme

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

75

100

125

150

175

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Gas Reynolds number

reflux condensation

cocurrent condensation

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0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0.003

1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Gas Reynolds number

Th

erm

al

res

ista

nc

e m

2 .K.W

-1

cocurrent condensation

reflux condensation

Résistances

Thermiques

-Condensat

-Mélange gazeux

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

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0

test section n°3test section n°1coefficient 0.286coefficient 0.45

075.015.0462.0

097.0419.0322.0

0

45.0LLG

Lh

G

G

J

D

J

JP

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•Conclusion

– Influence de l’angle de corrugation• Coefficient de frottement

• Performances thermiques

– Influence de la nature des fluides• Nombre de Lewis

• Limite d’apparition de l’engorgement

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•Perspectives

– Calcul systématique du nombre de Lewis pour des mélanges binaires

– Etude de l’influence de paramètres géométriques comme l’angle de corrugation sur les performances simple phase et en condensation

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•Annexes

26/2423 mars 2006 J. Malle


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

27/2423 mars 2006 J. Malle


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

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