Chapitre 1 - Technologie Des Colonnes [PDF]

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Chapitre 1 : Technologie des colonnes

Chapitre 1 : Technologie des colonnes I. Introduction Les principales opérations de séparation sont réalisées par la mise en contact de deux phases en utilisant l’aptitude, plus ou moins grande pour chaque produit, de passer d’une phase dans une autre. En effet, Les exemples typiques de transfert de matière sont :  transfert de masse d’un gaz vers un liquide dans l’opération d’absorption  transfert de matière d’un liquide à un gaz dans les l’opération de distillation  transfert de substance d’un liquide vers un autre liquide dans l’opération d’extraction  transfert de masse d’un fluide à un solide dans l’opération d’adsorption. Pratiquement, ces opérations sont réalisées dans des appareils conçus pour assurer le meilleur contact possible entre les deux phases concernées afin de permettre la diffusion des constituants, il s’agit des colonnes dont les deux principaux types sont les colonnes à plateaux et les colonnes garnis.

II. Les colonnes à plateaux II.1. Présentation Les colonnes à plateaux sont utilisées pour réaliser un contact entre une phase gazeuse et une phase liquide de façon à amener celles-ci le plus près possible de l’état d’équilibre. Les plateaux sont conçus pour assurer une dispersion de la phase vapeur dans celle liquide en utilisant directement l’énergie de pression de la vapeur. Le liquide circule par gravité de haut en bas tandis que le gaz est injecté à contre-courant. Le passage du gaz se fait de plateau en plateau par des orifices dont la taille et la forme peuvent être très variables. Le liquide descend de plateau en plateau par des déversoirs situés le long de la paroi de la colonne. Le transfert de masse entre phases a lieu au moment de la formation des bulles et durant leur ascension dans la couche de liquide. Les transferts de matière et de chaleur entre les phases sont d’autant plus importants que la surface de contact et la turbulence des phases sont plus grandes.

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Figure : Colonne à plateaux (contre-courant)

II.2. Domaine d’application Les colonnes à plateaux sont utilisées généralement pour des opérations de : 

distillation



absorption sans réaction chimique ou impliquant des réactions chimiques ayant une vitesse moyenne.

II.3. Éléments d’une colonne à plateaux II. 3.1. Viroles La virole est l’enveloppe de la colonne. Elle doit résister aux efforts de pression, de dilatation et éventuellement aux effets du vent et aux séismes. La virole peut être constituée de sections de différents diamètres. Si le débit et les propriétés physiques du flux de vapeur varient fortement entre le pied et la tête de colonne, il sera plus économique d’ajuster la colonne aux conditions opératoires et de prévoir une colonne à deux ou même trois diamètres. On distingue deux types de viroles : a) Virole monobloc : recommandé dans la plupart des cas. Le plus gros des orifices (trou d’homme H) a un diamètre inférieur à celui de la virole. C’est un avantage lorsque la colonne doit travailler sous forte pression ou sous vide poussé car, dans ces deux cas, les brides de grande dimension sont des pièces coûteuses et les fuites sont toujours à craindre.

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b) Virole en tronçons : la colonne est découpée en un certain nombre de tronçons qui seront assemblés par brides (B). Ce type de construction peut être imposé par des impératifs liés aux exigences de mise en place de l’appareil (à l’intérieur d’un bâtiment) ou de fabrication.

Figure : Types de viroles

II.3.2. Orifices de visite Le nombre des orifices de visite à prévoir dans une colonne dépend du type de plateau installé et de la fréquence des interventions prévisibles. Celle-ci est liée aux risques de corrosion et d’encrassement des plateaux.  Si l’on ne prévoit aucune intervention dans la vie de l’appareil, la colonne peut être démunie de tout orifice de visite.  Si l’on prévoit de rares interventions dans la colonne (moins de 2 fois par an), celle-ci doit être munie d’orifices de visite tous les 10 à 20 plateaux  Si l’on prévoit des interventions fréquentes, la colonne doit être munie d’orifices de visite tous les 4 à 10 plateaux. II.3.3. Tubulures fonctionnelles a) Tubulures d’alimentation de diamètre égal à celui de la ligne d’alimentation b) Tubulures de liaisons au condenseur : il s’agit de la tubulure de vapeur et la tubulure de reflux. La tubulure de reflux joue le même rôle qu’une tubulure Technologie des procédés (L3 GPP)_ Dr BOUKHELKHAL Asmaa

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d’alimentation. La tubulure de vapeur est dimensionnée en fonction de la perte de charge admissible. c) Tubulures de liaisons au rebouilleur : le calcul du rebouilleur est directement lié au dimensionnement d fes tubulures de liaison, c’est donc lui qui fixe leur diamètre. d) Tubulures de contrôle : la colonne est munie d’un certain nombre de tuyaux soudés sur la virole destinés à contrôler la marche de l’appareil :  Contrôle du fonctionnement hydrodynamique de l’appareil par mesure de la perte de charge (mesure de pression en pied et en tête de colonne),  Contrôle du profil de température le long de la colonne et vérification de sa conformité avec celui qui a été calculé.  Régulation de la colonne à partir d’analyses par chromatographie ou de mesures de propriétés physiques (densité, pH, viscosité, etc.). II.3.4. Plateaux Le plateau est l’élément actif de la colonne. Il a pour fonction la mise en contact de la phase liquide et de la phase gazeuse de façon à amener celles-ci le plus près possible de l’état d’équilibre. II.3.4.1. Types de plateaux Les plateaux peuvent se ranger en deux grandes catégories : a) les plateaux à courants croisés: constitué par une plaque plane métallique sur laquelle sont implantés les éléments de barbotage, des barrages et des trop-pleins. La phase gazeuse ascendante traverse le liquide qui se déplace horizontalement sur le plateau. Un barrage de sortie maintient une couche de liquide sur le plateau. Le liquide s’écoule par gravité d’un plateau à l’autre par une conduite (trop-plein). b) les plateaux à contre-courant: les plateaux à contrecourant ne comportent ni barrage de sortie ni trop-plein, le liquide et la vapeur s’écoulent par les mêmes orifices car les éléments de barbotage sont constitués exclusivement par des trous ou des fentes.

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Figure : Types de plateaux selon l’écoulement des phases

II.3.4.2. Éléments constitutifs du plateau a) Eléments de barbotage Ce sont les organes de mise en contact de la vapeur et du liquide. Ils peuvent être disposés suivant trois formes de réseau : rectangulaire ou carré ; triangulaire et en losange. Il existe des plateaux à calotte, à soupapes, à fentes, … etc

Figure : Plateau à fentes

b) Trop-pleins Le trop-plein est l’organe de descente du liquide d’un plateau à l’autre (figure). Il comprend deux parties distinctes : le déversoir ou seuil, et le trop-plein proprement dit, ou queue de trop-plein. La première partie assure un niveau de liquide à peu près constant sur le plateau, la seconde conduit le liquide du plateau considéré vers le plateau inférieur.

Figure : Trop-plein : vue en coupe

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c) Barrages Un certain nombre de barrages placés perpendiculairement à l’écoulement du liquide pour régulariser l’écoulement du liquide sur le plateau.

III. Les colonnes garnis III.1. Présentation Dans une colonne à plateaux, le transfert de matière est assuré par le barbotage de la vapeur au sein du liquide de chaque plateau pour former une véritable émulsion. Dans les colonnes garnies, le transfert s’effectue à la surface du liquide sans occlusion appréciable de bulles gazeuses. L’efficacité d’un tel dispositif est donc directement liée à la surface offerte par le film liquide. En principe, une colonne garnie est prévue d’un plateau support remplie de garnissage de types très divers, en acier, en plastique ou en céramique, capables d’assurer un contact intime entre les deux phases. Le liquide est distribué en tête de colonne le plus uniformément possible. Le gaz est introduit sous le support et circule à contre-courant. Ce type d’appareil peut être utilisé pour les systèmes gaz – liquide où chacune des résistances contrôle le processus de transfert ou les deux résistances sont importantes.

Figure : Colonne garnis (contre-courant)

Le garnissage qui créé une série d’obstacles sur le parcours du liquide et du gaz au sein de la colonne permet :  d’augmenter la surface de contact entre les deux phases ;

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 d’augmenter le temps de séjour des deux phases dans la colonne et donc leur durée de contact ;  de créer un régime turbulent de la phase gaz. III.2. Domaine d’application Les colonnes garnis sont utilisées généralement pour des opérations suivantes:  distillation,  absorption sans ou avec réaction chimique (vitesse de réaction moyenne ou très grande),  absorption de gaz et de substances corrosives.  barbotage de la phase gaz dans le liquide provoque son moussage  les opérations discontinues car la rétention du liquide dans ce type de colonne est faible.  les transferts de matière limités par la phase gazeuse. Les colonnes garnies ne sont pas utilisées pour la séparation des particules solides, car celles-ci peuvent rester bloquer sur le garnissage et empêcher le passage des phases (cause d’engorgement). III.2. Différents types de garnissages a) Garnissages en vrac Ces garnissages peuvent être de formes variées, de matériaux différents (céramique, verre, plastique, métal…). Les formes ou modèles fournies par les fabricants ont fortement évolué au fil des années pour répondre à toutes les demandes des plus classiques aux plus exigeantes.

Figure : Différents types de garnissage en vrac

b) Garnissages ordonnés ou structurés. Technologie des procédés (L3 GPP)_ Dr BOUKHELKHAL Asmaa

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Le garnissage structuré est un garnissage relativement nouveau. Ce garnissage est vraiment apprécié pour sa bonne efficacité et sa faible chute de pression. Ces deux propriétés principales conduisent souvent à un gain réel de volumes comparés aux autres composants internes des colonnes. Dans la colonne, les garnissages structurés sont juxtaposés.

Métallique

Céramique

Figure : Garnissage structuré

III.3. Choix du type de garnissage Le choix du type de garnissage dépend d’un grand nombre de facteurs dont les principaux sont :  Le prix du matériau;  La résistance à la corrosion : elle impose souvent le choix d’éléments en verre, en inox, en graphite, en céramique ou parfois en métaux précieux;  La surface spécifique : une grande surface accélère les échanges. Les pertes de charge sont généralement élevées lorsque la surface spécifique est grande; Les dimensions des éléments jouent un rôle important. On choisira toujours des éléments de dimension uniforme pour éviter qu’ils ne s’emboîtent les uns dans les autres lorsqu’ils sont chargés en vrac. Les colonnes à garnissage structuré sont intéressantes lorsque :  Il y a beaucoup d’étages théoriques;  Le taux d’arrosage (débit liquide par unité de section) est faible;  Une très faible perte de charge est requise;  Il y a de fortes variations dans la charge gazeuse. Les colonnes à garnissage régulier coûtent très cher, et ne sont donc pas utilisées dans les autres cas. Technologie des procédés (L3 GPP)_ Dr BOUKHELKHAL Asmaa

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Les colonnes à garnissage en vrac présentent le grand avantage de coûter moins cher. Elles sont donc utilisées toutes les fois que les exigences requises pour les autres types d’appareils n’existent pas. IV. Avantages et inconvénients Le tableau ci-dessous récapitule les avantages et les inconvénients de chaque type de colonne. Tableau : Avantages et inconvénients des colonnes à plateaux et des colonnes garnis Type de

Avantages

colonne

Inconvénients

- possibilité de forts débits en utilisant des diamètres élevés

- formation de mousses - pertes de charges importantes

- scale up facile

- nécessité d’un grand volume de liquide

- plus faciles à entretenir en cas de présence de

- susceptible de s'encrasser en présence de

particules solides dans le liquide

solides en suspension

Colonnes

- efficaces pour les absorptions au cours

- faible flexibilité d'opération (doit opérer dans

à plateaux

desquelles le transfert de la matière est limité

le domaine de débits pour lesquels il a été

par la résistance de la phase liquide

conçu)

- Possibilité de récupération de la chaleur dégagée au niveau de chaque plateau - plus

économiques

pour

les

processus

- Pour les systèmes corrosifs, la construction de plateaux fera appel à des métaux résistants à la corrosion, généralement coûteux.

nécessitant un débit de liquide important - Simplicité

- mise à l'échelle (scale up) difficile

- moins chères, surtout si le diamètre de la

- encrassement et blocage du garnissage en

colonne n’est pas trop grand. - bien adaptées pour fonctionner dans un environnement acide et corrosif ; Colonnes garnis

- Comme le liquide est peu agité, il est possible

présence de solides en suspension - efficacité sensible à une mauvaise répartition des écoulements des fluides. - diminution de la surface effective de contact

d’utiliser les absorbants qui ont

en cas de diminution du débit du liquide, la

tendance à mousser.

surface de garnissage ne pourra pas être

- Elles peuvent atteindre une grande efficacité d’absorption pour beaucoup de gaz.

mouillée. - nécessité d’installation de redistributeurs de liquide pour les colonnes de petit diamètre et de grande hauteur

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