Echangeurs de Chaleur HRM09(1)

21/12 au 26/12/2009

21/12 au 26/12/2009

I.AP/ SPA. SKIKDA SEMINAIRE : Exploitation des échangeurs à faisceaux et calandre ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

I/Notions fondamentales sur la transmission de chaleur 1/ Introduction : La transmission de la chaleur ou la théorie d’échange de chaleur est une science qui traite de la propagation de la chaleur dans différents milieux. 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. ● Conduction ● Convection ● Rayonnement ou radiation

1.1/ CONDUCTION : C’est un processus d’échange de chaleur entre les particules des corps en présence d’un gradient de température. L’essentiel de ce transfert résulte de la transmission d’une énergie cinétique des  particules infimes composant le corps (oscillations des des molécules, mouvements des électrons, … etc.). La conduction thermique à l’état pur ne se manifeste que dans les corps solides et dans les couches minces et immobiles de liquides ou de gaz. Les lois fondamentales du transfert par conduction sont en complète analogie avec celles de la conduction électrique.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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La chaleur est transmise au fluide à travers la paroi

1.2/ CONVECTION :

Cet échange à pour origine le mouvement d’un fluide. Ce mouvement peut prendre naissance sous l’effet des différences de températures dans le fluide donc de différences de densité par déplacements réciproques de particules chaudes et froides : Il s’agit de convection libre ou naturelle (tuyauterie chaude exposée l’air, récipient chauffé par le fond…).

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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Dans la casserole d’eau qui chauffe les molécules chaudes ont tendance à monter car moins denses.

Le mouvement de l'eau qui bout dans une casserole que l'on chauffe relève du  phénomène de la convection ; l'eau des zones les plus chaudes (celles qui sont au fond de la casserole) se dilatent et s'élèvent ( poussée d'Archimède) tandis que celle des zones les plus froides descendent. Le mouvement d'ensemble des molécules d'eau dû à des différences de température est ce qu'on appelle la convection naturelle. Ce mouvement peut être provoqué par une cause mécanique (pompe, agitateur, soufflante …etc.) : Il s’agit alors de convection forcée. 1.3/RAYONNEMENT :

Cet échange est caractérisé par l’absence d’un contact direct entre les corps. Tout corps dont la température est supérieure au zéro absolu (0°K) rayonne dans toutes les directions une énergie sous forme d’ondes électromagnétiques. Inversement tout corps est susceptible d’absorber ou d’émettre partiellement ou entièrement une énergie.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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Plus nous éloignons d’un bon feu, moins nous recevons de chaleur

En réalité tout échange thermique s’effectue sous les trois formes précédentes mais l’une d’elles est prédominante et les autres peuvent être négligée. Enfin, signalons que l’échange de chaleur entre les corps peut s’opérer à des régimes thermiques établis (ou permanents) et non établi (ou transitoire). Pendant le régime établi la température à chaque point du corps reste invariable dans le temps. Lorsque le régime est non établi la température à chaque point du corps varie en fonction du temps : les équations de transfert comportent alors le terme différentiel dt relatif au temps. Dans ce qui suit il est surtout examiné le régime thermique établi vu qu’il est plus simple à décrire et qu’il est d’une grande importance pratique.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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2/ Etude détaillée des différents modes de transfert de chaleur  :

2.1/ conduction : Fourier dés 1822, écrit l’expression du flux élémentaire de chaleur q pendant le temps dt sous la forme suivante : q=

dQ ds .dt 

= − λ 

dT  dl

Où :

q : flux de chaleur en Kcal /h.m 2.°C dQ : quantité de chaleur dt : temps dT : température dl : épaisseur du matériau traversé par le flux de chaleur ds : section traversée par le flux de chaleur λ  : coefficient de conductivité thermique du matériau Le signe moins signifie que le flux calorifique va du chaud au froid. Le signe du gradient de température est opposé à celui du flux.

2.1.1/ Conduction à travers une paroi plane :  – Paroi à une seule couche :

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------6 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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La variation de la température suivant l’épaisseur de la paroi est régie par une relation linéaire. La quantité de chaleur passant à travers la paroi est exprimée par la loi de Fourier:

Q = λ 

( t 1 − t  2 ) e

s

Où Q : la quantité ou débit de chaleur en W λ  : coefficient de conductivité thermique du matériau en W /m.°C t1 : température de la surface extérieure de la paroi en °C t2 : température de la surface intérieure de la paroi en °C e : épaisseur de la paroi en m s : surface de la paroi en m 2 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------7 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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Le coefficient de conductivité thermique est en général déterminé par voie expérimentale. La valeur de λ  dépend de la nature de la substance du corps, de sa structure, et varie en fonction de la température. Dans le tableau ci- dessous il est donné les valeurs de λ  pour différents corps solides, liquides et gazeux. D'une façon générale, les métaux sont beaucoup plus conducteurs de chaleur que les substances non métalliques. Les gaz sont plutôt mauvais conducteurs : le caractère isolant de la laine de verre est dû à la présence de l'air emprisonné entre les fibres.

Matériau

λ  (W

Aluminium Cuivre Fer (pur) Acier au carbone Fonte Argent

204 386 16 50 60 419

Laiton Béton

100 1,30

Reprenons l’équation : En divisant :

Q S 

La grandeur q =

On aura Q S 

Q = λ 

q=

Matériau

/m. degré)

Q S 

Verre Liége Laine de verre Eau Air Tartre de chaudière Suie Brique réfractaire

( t 1 − t 2 )

 = λ 

e

/m. degré)

0,78 0,17 0,038 0,556 0,0262 0,70 0,08 0,75

s

( t 1 − t 2 ) e

λ  (W

  en W /m2

est appelée densité spécifique du flux thermique ou flux de

chaleur. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------8 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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q= La grandeur inverse

e λ 

λ 

e

λ 

e

( t 1 − t 2 ) en W /m2

 est appelée conductivité (ou conductance) thermique. Et sa valeur 

ou (résistivité) thermique exprimée en résistance

En posant R =

e λ 

W 

on obtient :

Q=

Et :

m 2 .°C 

( t 1 − t  2 )  R

q=

s

t 1 − t 2  R

--Paroi à plusieurs couches (murs composés) : Considérons une paroi constituée par trois couches de matériaux différents adhérant intimement l’une à l’autre.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------9 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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Le flux de chaleur q est constant pour toutes les couches de la paroi. C’est  pourquoi pour chacune des couches nous pouvons écrire l’équation suivante :

ére

1  couche :

2

q =

λ 1

e1

λ 2

 couche : q = e ( t 2 − t 3 ) 2

éme

3

( t 1 − t 2 )

 couche : q =

éme

λ  3

e3

( t 3 − t 4 )

En additionnant ces trois équations membre à membre nous obtenons :

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------10 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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q=

e1 λ 1

t 1 − t 4 e3 e2

+

λ  2

+

en w / m 2

λ  3

Si le mur est constitué par l’accolement de n couches d’épaisseurs e 1, e2, …en et de conductivités thermiques λ 1, λ 2,…λ n, le flux reste toujours constant et l’on a :

q=

t 1 − t n +1 ei

∑ λ 

i

Si : R = Σ ei /λ i = Σ R i On aura : q =

t 1 − t n + 1

∑  R

i

Où R i : Est la somme de toutes les résistivités thermiques des différentes couches de la paroi.

2.1.2/ Conduction à travers une paroi cylindrique : Outre les parois planes, dans le domaine pratique de l’échange de chaleur il est souvent utilisé des parois cylindriques (parois de tubes) qui sont soit à une seule couche soit à plusieurs couches.

 – Paroi à une seule couche :

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------11 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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La valeur de la quantité de chaleur passant à travers une paroi cylindrique à une seule couche est : t 1 − t 2

Q=

1

2 πλ  l

ln

d 2

en w

d 1

Où : L : longueur du tube en m d1 et d2 les diamètres intérieur et extérieur en m t1, t2 températures aux surfaces intérieure et extérieure du tube en °C. (t 1 > t2) λ  : coefficient de conductivité thermique du matériau en W /m.°C. La grandeur au dénominateur de l’équation représente la résistance (ou résistivité) thermique R. Examinons le débit de chaleur par unité de longueur de tube : ql =

Q l

 = 2,732 λ 

t 1 − t 2 d 2

log

en W/m

d 1

 – Paroi à plusieurs couches : --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------12 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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Dans le cas d’une paroi composée l’expression du débit de chaleur par unité de longueur de tube s’écrira : ql = 2,732

t 1 − t n +1 d i +1 1

∑ λ 

log

i

d i

• Application numérique

Un tube en acier de diamètre intérieur d 1 = 100mm et de diamètre extérieur d 2 = 110mm dont la conductivité thermique λ 1 est de 58,1 w/m.°C est recouvert d’un isolant à deux couches de même épaisseur e 1 = e2 = 50 mm. La température de la surface intérieure du tube t 1 = 250°C et celle de la surface extérieure de l’isolant t 4 = 50°C. Calculer : 1) – Les pertes de chaleur à travers les parois d’un mètre linéaire du tube et la température entre les couches d’isolation si la couche intérieure est produite d’un isolant dont λ  = 0,07 w/m.deg. et la seconde couche possède λ  = 0,14 w/m.deg. 2) – Comment varient les pertes de chaleur à travers les parois du tube considéré et la température entre les couches d’isolation si l’on inverse la  place des couches (c'est-à-dire si on place l’isolant avec λ  = 0,14 w/m.deg. directement sur la paroi de l’acier et l’isolant dont λ  = 0,07 w/m.deg. à l’extérieur). Solution :

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------13 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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ql = 2,732

t 1 − t n+1 d i +1 1

∑ λ 

log

d i

i

d3 = d2 + 2e1 = 110 + 2.50 = 210 mm d4 = d3 + 2e2 = 210 + 2.50 = 310 mm Q= 2,732 1 λ 1

ql = 2,732

ql = 2,732

λ  3

log

d 1

d 4

λ  2

log

d 2

+

1 λ  3

d 4

log

d 3

250 − 50  = 104,66 w/m 1 110 1 210 1 310 log + log + log 58,1 100 0,07 110 0,14 210

ql

t 3 − t 4

1

d 

log 2 +

t 1 − t 4 d 3 1

⇔ t3 =

1 λ  3

log

2,732

d 4 d 3

104,66 + t 4 =

1 310 log 0,14 210 + 50 2,732

d 3

t3 = 96,28 °C

En inversant les couches des isolants on aura :

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------14 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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ql = 2,732 1 λ 1

ql = 2,732

d 1

+

λ  3

log

d 2

+

1 λ  2

log

d 4

=

d 3

250 − 50 = 123,54 w/m 1 110 1 210 1 310 log + log + log 58,1 100 0,14 110 0,07 210

ql

t 3 − t 4

ql = 2,732

1 λ  2

123,54

log

d 2

t 1 − t 4 d 3 1

log

d 4

⇔ t3 =

1 λ  2

log

2,732

d 4 d 3

+ t 4 =

d 3

1 310 log 0,07 210 + 50 2,732

t3 = 159,28 °C 2.2/ Convection : L’échange de chaleur par convection se produit entre une paroi et un fluide  baignant la dite paroi lorsqu’ils sont en contact directe.

2.2.1/ Loi fondamentale de la convection : Le flux de chaleur transmis par convection entre une surface et un fluide est donné  par la relation suivante : Q = h s (t1 - t2) en w équation de Newton-Richmann q = h (t1 – t2) en w/m2

Soit Avec Q : quantité ou débit de chaleur (w) q : flux de chaleur (w/m 2) h : coefficient d’échange de chaleur (w /m 2.°C) S : surface d’échange en m 2 (ou surface de contact entre le fluide et le solide). t1 et t2 : Température de la paroi du solide et celle du fluide en °C. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------15 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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1 / h : résistance thermique à la convection

2.2.2/Conduction et convection simultanées • Paroi plane :

q=

Δ t   R

 =

Δt 

1 h1

U = 1  =

Posons :

ei

+∑

 R

1

+

λ  i

 en w/m2

h2

1 1 h1

+∑

ei

+

λ  i

En w/m2.°C

1 h2

q = U.∆t en w/m2

On aura :

Q = U.S.∆t en w La grandeur U est appelée coefficient global de transmission thermique • Paroi cylindrique :

ql =

Q l

 =

π  Δ t 

1 h1 d 1

∆t représente la différence de

+

1,15 λ  1

log

d 2 d 1

+

1

 en w/m

h2 d 2

température entre les milieux extrêmes.

2.3/ Rayonnement : Cet échange de chaleur est caractérisé par l’absence d’un contact direct entre les corps. L’échange de chaleur peut ainsi s’opérer lorsque les corps se trouvent à une certaine distance l’un de l’autre. Les rayonnements de tous types sont transmis sous formes d’ondes (oscillations) électromagnétiques. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------16 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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Suivant la longueur des ondes ces oscillations présentent différentes propriétés énergétiques. On distingue ainsi les rayons x, ultraviolets, lumineux, les rayons γ, infrarouges, etc. Dans le domaine de l’échange de chaleur, un rôle important revient aux rayons thermiques infrarouges. Tout corps dont la température est supérieure au zéro absolu (0°K) rayonne dans toutes les directions une énergie sous forme d’ondes électromagnétiques. Inversement tout corps est susceptible d’absorber ou d’émettre partiellement ou entièrement une énergie. Cette forme de transfert de chaleur ne nécessite donc aucun support matériel et s’identifie parfaitement à la propagation de la lumière c'est-à-dire à l’optique.

2.3.1/Propriétés du rayonnement calorifique Si l’on désigne par Q0 la quantité totale d’énergie rayonnante tombant sur un corps et respectivement par Q A la quantité d’énergie rayonnante absorbée, Q R  la quantité d’énergie rayonnante réfléchie, et par Q T la quantité d’énergie transmise à travers le corps ; le bilan énergétique sera : Q0 = QA + QR  + QT En divisant tous les termes de cette équation par Q 0 on aura : Q0 Q0

=

Q A Q0

+

Q R Q0

+

QT  Q0

Où

A= R=

Q A

est le pouvoir absorbant du corps ;

Q0 Q R

est le pouvoir réflecteur du corps ;

Q0

T=

QT  Q0

est le pouvoir de transparence du corps.

A + R + T = 1 (1) --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------17 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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a/Si dans l’équation (1) on adopte : R + T = 0, on aura alors A = 1 Un corps absorbant totalement tout rayonnement incident quels que soient la longueur d’onde et l’angle d’incidence est appelé corps noir absolu (ou idéal). Dans la nature il n’existe pas de corps qui soient absolument noirs, cependant il y en a qui d’après leurs propriétés en sont proches : le carbone pure, la suie, la surface oxydée de l’acier, etc. Ces corps absorbent environ 97% de l’énergie rayonnante incidente.  b/Si on adopte : A + T = 0, on aura alors R = 1 Un corps réfléchissant totalement l’énergie rayonnante qui le frappe est appelé corps parfaitement blanc ou miroir. c/Si on adopte : A + R = 0, on aura alors T = 1 Un corps transmettant totalement l’énergie rayonnante qui le frappe est appelé corps transparent. Dans la nature il n’existe également pas de corps qui soient parfaitement blancs ou transparents, les plus proches des corps parfaitement blancs sont les métaux polis. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------18 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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Les gaz monoatomiques et diatomiques ont un pouvoir de transparence T presque égale à 1 (T≈ 1).

2.3.2/Loi fondamentale du rayonnement calorifique  (loi de Stefan Boltzmann) :

Q = S.ε.σ. T4 Où : Q: Energie rayonnée ; S : surface émissive ; ε : émissivité. ( ε = 1 pour un corps noir) ; -8 2 4 σ : constante de Boltzmann numériquement égale à 5,67.10  W/m .°K  ou 4,96.10-8 Kcal/h.m2.°K 4

Emissivité de certains corps gris : Désignation du matériau Aluminium rugueux Eau Brique rouge Peinture à l’huile de différentes couleurs Charbon

Température en °C 20 - 50 0 - 100 20 100

ε (émissivité)

100 - 600

0,81 – 0,79

0,006 – 0,07 0,95 – 0,96 0,88 – 0,98 0,92 – 0,96

3/ Applications : calcul de la D.T.L.M Etant donné deux produits dont les températures sont différentes, la transmission de chaleur s’effectue d’un milieu plus chaud à un milieu plus froid.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------19 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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Quel que soit le type de l’appareil utilisé il est possible d’établir le bilan thermique global en écrivant que la quantité de chaleur Q perdu par le fluide chaud est égale à celle récupérée par le fluide froid, si l’on néglige les pertes thermiques : Soit :

Q = M Cp (T1 – T2) = m cp (t2 – t1) Q = M (H1 – H2) = m (h 2 – h1)

Les lettres majuscules sont réservées pour le fluide chaud, les minuscules  pour le fluide froid. Où : 1 et 2 : indices correspondant respectivement à l’entrée et à la sortie ; M et m : débits massiques des fluides en kg /h ; C p : chaleur spécifique moyenne (à pression constante) du fluide chaud, en kcal /kg.degré c p : chaleur spécifique moyenne (à pression constante) du fluide chauffé, en kcal  /kg.degré

T et t : températures des fluides en °C ; H et h : enthalpies des fluides en fonction de leurs températures T et t en kcal /kg. Par ailleurs on peut appliquer l’équation de Fourier

Q = U S ΔTLM Où Q : quantité de chaleur transmise par unité de temps en kcal /h ; U : coefficient global de transfert de chaleur en kcal /h. m 2. °C ; S : surface totale d’échange de l’appareil en m 2 ; ΔTLM : différence de température logarithmique moyenne en °C. Le coefficient de transfert U dépend de plusieurs facteurs : nature du fluide, sa vitesse d’écoulement, composition chimique du matériau et dimension du tube, taux d’encrassement de la paroi qui sépare les deux fluides…etc.

3.1/ Différence moyenne de température ΔTLM Elle est déterminée selon --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------20 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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Δ TLM  =

Δ T 1 − Δ T 2 Δ T  2,3 log 1 Δ T 2

L’évolution de la température de chaque fluide à partir des températures d’entrées T1 et t1 conditionne la valeur moyenne de ΔT. Elle est fonction de : ● la nature et des débits des deux fluides ; ● du sens d’écoulement relatifs des deux fluides qui peuvent circuler soit à contre-

courant pur ou à courants parallèles, comme c’est le cas pour les échangeurs à double-tube, soit à courants mixtes, successivement contre-courant et courants  parallèles pour des appareils tubulaires à plusieurs passes. • Echange à contre-courant pur :

Les entrées et les sorties de chaque produit sont respectivement à l’opposé l’une de l’autre, de sorte que les produits se croisent.

Echange à contre-courant pur

Où :

∆T1 = T1 – t2 ∆T2 = T2 – t1

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------21 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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T1 et T2 : températures initiale et finale du produit chaud. t1 et t2 : températures initiale et finale du produit froid • Echange à courants parallèles

Les deux entrées, sont du même côté de l’échangeur et les deux sorties à l’autre extrémité de sorte que les produits cheminent parallèlement de chaque côté de la surface d’échange.

Echange à courants parallèles

∆T1 = T1 – t1 ∆T2 = T2 – t2

On remarque que l’échange à contre-courant est plus efficace (meilleur) que l’échange à courants de même sens à cause de la ΔTLM plus élevée.

• Application numérique (1) --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------22 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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Dans un appareil d’échange de chaleur tubulaire eau-eau, le liquide chauffant à une une température initiale T 1 = 110°C et une température finale T 2 = 70 °C. Le second fluide, l’eau réchauffée dans une circulation a contre-courant, à une température d’entrée t 1 = 40 °C et une température de sortie t 2 = 60 °C. Déterminer la surface d’échange dans le mode de circulation considérée et dans le mode de circulation à courant parallèle si la quantité de chaleur a pour valeur Q = 83,3.10 3 kj /h et le coefficient global de transfert U = 6290 kj /h. m 2. °C

Solution 1) Mode de circulation à contre-courant ∆T1 = T1 – t2 = 110 – 60 = 50 °C ∆T2 = T2 – t1 = 70 – 40 = 30 °C

Vu que :

ΔT 1 ΔT 2

 = 50  = 1,67 < 1,7 30

 Nous pouvons donc utiliser utiliser la formule simplifiée pour pour déterminer la ΔTLM ΔTLM =

ΔT 1 + ΔT 2

2

= 50 + 30 = 40 °C 2

La formule la plus exacte nous donne : ΔTLM  =

ΔT 1 − ΔT 2 ΔT  2,3 log 1 ΔT 2

= 50 − 30  = 39,19 °C 2,3 log

50 30

On utilisant la formule simplifiée on aura une erreur de : 40 − 39,19 .100 = 2 % 39,19

Qui est habituellement admissible

dans les calculs techniques. ● Surface d’échange à contre- courant : 83,3.10 3 Q Scc =  =  = 0,337 m2 U .ΔTLM  6290.39,19

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------23 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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2) Mode de circulation à courant parallèle ∆T1 = T1 – t1 = 110 – 40 = 70 °C ∆T2 = T2 – t2 = 70 – 60 = 10 °C ΔTLM  =

ΔT 1 − ΔT 2 ΔT  2,3 log 1 ΔT 2

=

70 − 10  = 30,8 °C 70 2,3 log 10

● Surface d’échange à courant parallèle :

S// =

Q U .ΔTLM 

3  = 83,3.10  = 0,429 m2

6290.30,8

C'est-à-dire si on emploie ce système d’échange nous devons augmenter la surface d’échange de 27% • Application numérique (2)

Il est indispensable de chauffer en une heure 450 kg d’eau dont la température sera portée de 10 °C à 75 °C par des fumées à température initiale T 1 = 165 °C. Le débit des fumées est de 1800 kg/h. La chaleur spécifique à pression constante des gaz C p.g = 1,0468 Kj  et le coefficient global de transmission thermique U = kg.°C 

163,3

W  m 2 .°C 

.

Déterminer la surface de chauffe S pour la circulation en courants parallèles et à contre-courant. On donne : pour l’eau chaleur spécifique à pression constante c p.eau = 4,19 Kj kg .°C 

Solution 1) La quantité de chaleur Q cédée à l’eau est : Qeau = m.c p.e (t2 – t1) = 450. 4,19(75 – 10) = 122,6.10 3 kJ/h --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------24 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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2) La température de sortie des gaz est : En négligeant les pertes de chaleur on peut poser : Q = Q eau = Qgaz Qgaz = M.C p.g (T1 – T2)

 T2 = T1 -



Q  M .C  p. g

122,6  x 10 3  = 165 = 100 °C 1800 x 1,0468

3) Surface d’échange pour le courant parallèle : Q = U S ΔTLM ∆T1 = T1 – t1 = 165 – 10 = 155 °C ∆T2 = T2 – t2 = 100 – 75 = 25 °C ΔTLM  =

ΔT 1 − ΔT 2 ΔT  2,3 log 1 ΔT 2

= 155 − 25  = 72 °C 2,3 log

155 25

122,6.10 6 S// =  =  = 2,9 m2 3600.163,3.72 U .ΔTLM  Q

4) Surface d’échange pour le contre-courant ∆T1 = T1 – t2 = 165 – 75 = 90 °C ∆T2 = T2 – t1 = 100 – 10 = 90 °C Vu que

ΔT 1 ΔT 2

 = 1

La valeur de ΔTLM sera déterminée d’après : ΔTLM =

ΔT 1 + ΔT 2

2

= 90 + 90 = 2

90 °C 122,6.10 6 Scc =  =  = 2,32 m2 U .ΔTLM  3600.163,3.90 Q

II/ Rôle des échangeurs et terminologie  : --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------25 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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1/ Introduction : Les procédés des industries pétrolières, pétrochimiques ou chimiques demandent souvent que les fluides traités soient réchauffés ou refroidis avec ou sans changement de phase au cours des diverses opérations auxquelles on les soumet. La chaleur mise en oeuvre représente une importante dépense d’énergie dont il est nécessaire de récupérer la plus grande quantité possible en permettant, par exemple, à un fluide chaud de transmettre sa chaleur à un fluide froid. Les appareillages utilisés en dehors des fours et chaudières sont appelés “échangeurs de chaleur”. •  Échangeur (exchanger) : en dehors de son sens général tel qu’utilisé plus

haut, ce terme désigne l’appareil qui réchauffe un fluide de procédé et en refroidit un autre le plus souvent sans changement de phase de l’un et l’autre de ces deux fluides. Principe de fonctionnement : les échangeurs permettant un échange de chaleur entre deux fluides en mouvement, ils sont dits : - à surface lorsque les deux fluides sont séparés par une paroi. - à contact lorsque les deux fluides sont mélangés, et aucune paroi ne sépare les deux fluides.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------26 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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Echangeur par contact direct (colon ne à pulv érisation)

a/ 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 ompression. **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 utilisés pour cette fonction. **Chiller : il refroidit un fluide de procédé par évaporation d’un fluide frigorigène (ou par de l’eau réfrigérée). B/ FONCTION RÉCHAUFFAGE :

**Préchauffeur (preheater) : il préchauffe un fluide de procédé par la vapeur d’eau ou un fluide chaud de procédé, la chauffe se poursuivant souvent dans un four en aval. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------27 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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**Réchauffeur (heater) : il réchauffe également un fluide de procédé mais le terme s’emploie surtout pour désigner l’appareil qui réchauffe un produit stocké généralement pour assurer sa pompabilité. 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.

**Économiseur (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. C/ 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.

d/ 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 (boiler), rebouilleur (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). --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------28 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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e/

FONCTION PARTICULIÈRE

**Évaporateur (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. Quelle que soit leur fonction, le principe de fonctionnement de tous ces appareils est celui des échangeurs de chaleur par surface interposée entre deux fluides et mettant en oeuvre la transmission par conduction et convection simultanées. Par ailleurs, la façon d’organiser la circulation des fluides de chaque côté de la paroi conditionne leur performance. 2/Principes de réalisation technologique-Modes de circulation. 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. a/circulation à co-courant (ou à courants parallèles) et circulation à contre courant : Les deux fluides circulent soit dans le même sens, soit en sens contraire de chaque côté de la paroi. La réalisation technologique peut se faire : • soit par des appareils tubulaires dits - double-tube : constitués de 2 tubes concentriques ; un fluide s’écoule dans le tube intérieur, l’autre dans la section annulaire.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------29 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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• à faisceau et calandre : un fluide passe à l’intérieur des tubes parallèles

constituant un faisceau logé dans une calandre cylindrique, l’autre passe à l’extérieur des tubes ** appareils 1-1 (1 passe côté calandre, 1 passe côté tubes) : la calandre est de type E selon la norme TEMA.

** appareils 2-2 (2 passes côté calandre, 2 passes côté tubes) : la calandre est de type F selon la norme TEMA.  NB : La mise en place d’une cloison longitudinale séparant la calandre en deux  parties et cloison de répartition dans le distributeur du faisceau oblige chacun des fluides à effectuer deux passes dans l’appareil.

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• soit par des appareils à plaques ou lamelles

 Les plaques peuvent être formées en spirale.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------31 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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b/ CIRCULATION UTILISANT SIMULTANÉMENT LE CO-COURANT ET LE CONTRECOURANT

Ce type de circulation est réalisé dans des appareils tubulaires à faisceau et calandre cylindrique : • Appareils à 1 passe côté calandre et 2 ou 4 ou 6, etc … passes côté tubes (calandre de type E) Le nombre de passes côté tubes est souvent égal à 2, 4 parfois à 6 ; il est très rarement égal à 8 pour des raisons de pertes de charges prohibitives. **Appareils 1-2 (1 passe côté calandre, 2 passes côté tubes)

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Le fluide côté tubes échange de la chaleur simultanément sur 2 passes, l’une à contre courant avec le fluide côté calandre, l’autre à co-courant. **Appareil 1-4 (1 passe côté calandre, 4 passes côté tubes)

• Appareils à 2 passes côté calandre (calandre de type F)

Le nombre de passes côté tubes associé peut être égal à 4 ou 8, … Par exemple, l’appareil 2-4 associe 2 passes côté tubes à chacune des 2 passes côté calandre. Chacune des 2 parties de cet appareil 2-4 fonctionne comme un appareil 1-2, les 2  parties étant disposées en série sur les 2 fluides ; la mise en série respecte le contre-courant d’ensemble dans le cas du dispositif représenté ci-dessous.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------33 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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• Autres appareils

Les modes de circulation suivants organisant des circuits en dérivation sont utilisés  pour limiter les pertes de charge côté calandre. Les appareils schématisés cidessous fonctionnent avec 2 passes ; Ce nombre peut être modifié.

C/ CIRCULATION À COURANTS CROISÉS :

L’écoulement de 2 fluides se fait dans 2 directions perpendiculaires. La réalisation peut se faire : •

soit par des appareils t ubulaires

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• avec une ou plusieurs passes côté tubes (deux dans les appareils schématisés

ci-dessus).

•

soit par des appareils à plaques éventuellement spiralées

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------35 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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III/ DIFFERENTS TYPES D’ECHANGEURS Le choix d’un échangeur pour une application donnée dépend de plusieurs  paramètres. - Les propriétés physiques des fluides (viscosités, densité, etc….) - Leurs agressivités (corrosif ou non corrosif) - La température et la pression de service. La plupart des échangeurs de chaleur offrant une surface de séparation entre fluide chaud et fluide froid peuvent être classés selon les familles technologiques suivantes :  – échangeurs tubulaires ou faisceau- calandre  – échangeurs double tube  – serpentins (de réchauffage ou de refroidissement)  – échangeurs à plaques (démontables ou brasés)  – échangeurs spiralés  – échangeurs à air

1/ Echangeurs tubulaires à faisceaux et calandre. 1.1/ PRINCIPE DE CIRCULATION DES FLUIDES ET TECHNOLOGIE

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Un des fluides circule dans un faisceau de tubes monté sur deux plaques tubulaires. Il est logé dans une calandre ( shell en anglais) munie de tubulures d'entrée et de sortie  pour le fluide circulant à l'extérieur des tubes le chemin imposé par les chicanes qui sont supportées par le faisceau. A chaque extrémité du faisceau sont fixées des boîtes de distributi on qui assurent la circulation du fluide qui passe à l'intérieur des tubes. Le schéma de principe ci-dessous représente un échangeur pour lequel le fluide, qui passe côté tube, pénètre dans la boîte de distribution par la tubulure inférieure. Une plaque de séparation de passe force son passage dans environ la moitié des tubes du faisceau.

À l'autre extrémité du faisceau, le fluide est dirigé par la boîte de retour dans les tubes au-dessus de la plaque de séparation de passe avant de sortir par la tubulure supérieure de la boîte de distribution. Le fluide parcourt donc deux fois le faisceau tubulaire d'où l'appellation : 2 passes côté tubes. Côté calandre, le fluide se dirige d'une extrémité à l'autre, son cheminement étant allongé par des chicanes transversales qui le forcent à s'écouler  perpendiculairement à l'axe des tubes. Ici, le fluide parcourt une seule fois la calandre, l'échangeur a donc une seule passe côté calandre. Un tel appareil est dit : deux passes tube - une passe calandre .

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1.2/DIFFÉRENTS TYPES D'ÉLÉMENTS

Les échangeurs tubulaires existant en usine sont très variés dans leur technologie  bien que le principe reste toujours le même. Ainsi, tous les éléments entrant dans la constitution des échangeurs ont fait l'objet d'une normalisation publiée par le TEMA (Standards of Tubular Exchangers Manufactures Association). La planche de la page suivante représente les différentes technologies utilisées. L'essentiel des différences concerne :  – la forme des distributeurs  – l'agencement de la circulation dans la calandre  – la forme du fond de calandre  – la méthode utilisée pour permettre au faisceau de se dilater dans la calandre --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------38 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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 – la pression de fonctionnement

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------39 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------40 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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• la calandre : C’est l’enveloppe métallique entourant le faisceau tubulaire,

est généralement construite avec l’acier au carbone.

• plaques tubulaires :  Ce sont des plaques percées supportent les tubes à

leurs extrémités, leurs épaisseurs varient entre 5 &10 cm.

Les tubes généralement sont fixés par soudage.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------41 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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•  faisceau :  c’est l’ensemble des tubes constituant le faisceau, les épaisseurs

de tubes sont normalisées selon le calibre BWG (Birmingham wire Gage )

NB : les conditions de fonctionnement imposent le choix du matériau Exemple :  Acier au carbone pour usage général  Aciers alliés pour les produits corrosifs et les températures élevées  Aluminium ou cuivre pour les très basses températures.  Disposition des tubes : La perforation des trous dans les plaques tubulaires est normalisée ; elle s’effectue selon une disposition soit au pas carré, soit au pas triangulaire.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------42 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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Le pas triangulaire permet de placer environ 10%de tubes de plus que le pas carré sur une plaque tubulaire de diamètre donné, mais en contre partie, la disposition des tubes rende impossible leur nettoyage extérieur par grattage .donc il faut avoir recours au nettoyage chimique et réserver leur emploi pour des fluides propre.

NB : en raffinerie on utilise surtout des faisceau en pas carré. *chicanes : les chicanes peuvent avoir deux rôles : a) Augmenter la rigidité du faisceau, pour éviter des phénomènes de vibration  b) 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 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------43 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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NB : 



Les chicanes transversales assurent la rigidité du faisceau tubulaire, elle sont solidaires à la plaque tubulaire fixe au moyen de tirant et entretoise qui occupent la place de tube Les standards (TEMA) imposent un nombre de tirants entre 4&10.

•  La boite de distribution et la boite de retour : La circulation dans le faisceau

est assurée par l’adjonction d’une boite de distribution, portant les brides d’entrée et sortie, et d’une boite de retour.

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•  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 ρu2 (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.

1.3/ Exemples d’échangeurs tubulaires : •

ÉCHANGEUR 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.

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•

ÉCHANGEUR 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-contre est à une passe côté tube et une passe côté calandre. Chaque boîte ne porte dans ce cas, qu'une tubulure d'entrée ou de sortie du produit qui passe dans les tubes.

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•

ÉCHANGEURS 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 des 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 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------47 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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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 .

•

ÉCHANGEUR TYPE KETTLE (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 y est relativement grand, ce qui favorise l'encrassement où la dégradation des produits sensibles à la chaleur.

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 Le choix de l’ordre de passage du fluide dans les échangeurs faisceau et  calandre : • Choix de l’ordre de passage de fluide :

  

Si un fluide et sous forte pression ( >1Mpa ) par exemple, le faire circuler de préférence dans les tubes, pour éviter une trop forte épaisseur de la calandre. Si un fluide est encrassant (par exemple un produit risquant de se polymériser) le faire circuler de préférence dans les tubes, car il est alors possible de nettoyer l’intérieur des tubes sans démonter l’échangeur Fluide le plus corrosif Fluide le moins visqueux Liquide de moins débit volumique En mettant le plus grand débit dans la plus grande section

•

Choix du matériel:

 



S’il y a risque d’encrassement dans les tubes, éviter les tubes en U (difficile à nettoyer)  S’il y a risque d’encrassement à l’extérieur des tubes choisir un pas carré plutôt qu’un pas triangulaire et un faisceau tubulaire démontable pour faciliter le nettoyage 

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S’il y a de forts écarts de température entre les deux fluides > 50°C il risque d’avoir des problèmes de dilatations différentielles, éviter d’avoir les deux plaques tubulaires soudées à la calandre  Choisir des tubes en U( s’il n’y a pas d’encrassement côté tubes )  Si une fuite d’un fluide dans l’autre a des conséquences graves éviter l’utilisation d’un échangeur a tête flottante dans les quelles l’étanchéité n’est pas parfaite NB : Ces différents critères peuvent être contradictoires il appartiendra alors à la personne chargée de la conception de trouver le meilleur compromis possible. Si plusieurs solutions sont techniquement possibles, le critère de coût minimal les départagera 

1.4/ CONDENSEURS :

Les condenseurs sont toujours des appareils à calandre et faisceau tubulaire, construits selon les mêmes plans que les échangeurs, de sorte que toutes les caractéristiques géométriques de ces derniers resteront valables. Ils sont du type à tête flottante. Comme le fluide froid est souvent de l’eau de mer , on utilise des tubes en laiton amirauté 3/4 inch, 16BWG et 16 ft de long, soit au pas triangulaire de 15/16 inch, soit au pas carré de 1inch. Généralement, le condenseur est disposé horizontalement ; dans ce cas, les segments libres des chicanes sont disposés verticalement pour permettre l’évacuation du condensât. Si l’on désire refroidir ce condensât très nettement au –  dessous de sa température de bulle, il faut prévoir soit une chicane interne maintenant un certain niveau liquide dans l’appareil, soit un système de siphon adapté sur la bride d’évacuation (fig. v. 1.38).

Pour améliorer le transfert à la condensation, on a adopté certain chicanage classique, correspondant aux désignations et figures suivantes : - Courant divisé (divided flow), figure v.1.39 a - Courant divisé et regroupé (split flow), figure 1.39b - Double courant divisé (double splite), figure v.1.39c Dans le cas de sous refroidissement du condensat,on préfère quelquefois monter le condenseur verticalement ; cette disposition permet un réglage facile des surfaces de tubes travaillant à la condensation et des surfaces noyées travaillant au refroidissement. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------50 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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1.5/LES REBOUILLEURS :

Les rebouilleurs sont des appareils tubulaires dont le but est d’effectuer une vaporisation partielle des fonds de colonne de distillation afin d’engendrer la phase vapeur qui assurera le fractionnement dans la section d’épuisement. Ces appareils sont construits selon le même principe que les échangeurs à faisceau et calandre, mais avec des variantes imposées par le système de séparation liquidevapeur adopté. On distingue deux grandes classes d’appareils :

 a/ Rebouilleurs noyés : il se divise en deux  : Rebouilleur une passe à circulation naturelle, à deux entrées « thermosiphons » : Le rebouilleur est alimenté directement par le liquide qui descend du dernier  plateau et ne peut ainsi traverser qu’une seule fois le rebouilleur. La circulation est naturelle, c'est-à-dire qu’elle s’effectue uniquement sous l’effet de la différence de pression hydrostatique entre le point de soutirage et le point de réintroduction

Rebouilleur à recirculation par pompe à une entrée : Le rebouilleur est alimenté par le liquide accumulé dans le fond de tour (colonne) et recirculé plusieurs fois dans l’appareil.

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NB :

Dans le deuxième dispositif on peut régler facilement le taux de revaporisation on joue sur le débit de la pompe, pour cette raison le deuxième dispositif est meilleur que le premier.   Afin d’obtenir des pertes de charge très faibles en circulation naturelle, on supprime les chicanes et il est d’usage de respecter certaines proportions entre le diamètre de la calandre D C et la longueur des tubes l. DC l 12 à 17 ¼ in 8 ft 19 ¼ à29 12 ft DC>31 16 ft De plus, pour un appareil à une seule entrée centrale, on considère que l doit inférieure à cinq fois le diamètre D C. 

 b/Rebouilleur à niveau liquide (Kettle Reboiler) C’est un rebouilleur idéal puisqu’il permet de réaliser jusqu’à 80% de vaporisation sur le résidu de fond de colonne, sans nécessiter un taux de recirculation important du liquide, comme c’est le cas pour les thermosiphons. En plus de sa fonction de vaporisation l’appareil assure la séparation des deux phases. Il est conçu avec un déversoir dont la hauteur correspond au diamètre du faisceau afin que celui-ci soit constamment submergé. La calandre est d’un diamètre nettement supérieur à celui du faisceau afin de ménager au – dessus du niveau liquide une zone de désengagement de la vapeur et éviter les entraînements de liquide. Le faisceau est construit d’une manière classique avec deux plaques tubulaire mobile, en employant des tubes en U. Dans ces appareils, la circulation est le plus souvent naturelle. Ces rebouilleurs sont appelés « Kette Reboiler » .

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• Utilisation :

Il est fréquemment utilisé dans les fonctions de rebouillage en distillation de régénération d’amine, de réfrigération par évaporation de fluide frigorigène.

C. Les critères de choix des rebouilleurs : Pour choisir un rebouilleur on doit prendre en considération quelques critères selon le tableau suivant :

Echange thermique Contrôle de l’appareil Temps de séjours Résistance à l’encrassement Temps de contact du produit Dégazage du liquide Coût d’appareillage

Types des r ebouilleurs A B  A′ Élevé Élevé Assez. Élevé Facile Facile Facile

Moyen Moyen

 B′

Assez. Élevé Facile

Moyen Moyen

C Faible Non difficile Élevé

D Assez. Élevé Non difficile Grand

Bon

Excellent Bon

Excellent Mauvais Bon

Faible

Faible

Faible

Faible

Grand

Faible

*

*

*

*

Bon

*

Élevé

Moyen

Moyen Moyen

Moyen Moyen

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A : rebouilleur vertical à recirculation naturelle  A′  : Rebouilleur vertical à recirculation forcée

B : Rebouilleur horizontal à recirculation naturelle  B′  : Rebouilleur horizontal à recirculation forcée C : Rebouilleur type Kettle D : Rebouilleur vertical sans recirculation * : dégazage s’effectue dans la colonne. Les appareils à circulation forcée comportent, par rapport aux appareils à circulation naturelle, les avantages d’utilisation dans le cas de produits visqueux ou chargés et de réduction de surface d’échange mais, par contre, les inconvénients du coût de la pompe et de l’énergie dépensé ainsi que des risques supplémentaires de fuites. 1.5/ÉCHANGEURS DOUBLE TUBE (double pipe)

Ils sont constitués par des séries de deux tubes concentriques réunis par des coudes et des boîtes de jonction, l'un des fluides circulant à l'intérieur du tube de plus petit diamètre, l'autre dans l'espace annulaire entre les deux tubes. Ce type d'échangeur réalise la circulation parfaite à contre-courant. Il ne convient que pour des débits relativement faibles. Suivant les produits utilisés, la différence de dilatation entre les tubes intérieurs et extérieurs peut être absorbée soit :  – par un soufflet de dilatation  – par un presse-étoupe (si eau à l'extérieur)  – le plus souvent par une boîte de retour (cas de fluide corrosif ou inflammable) laissant libre l'épingle intérieure

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Ces appareils sont de construction facile et peuvent être normalisés en partant d'éléments standards. Les tubes généralement utilisés correspondent aux associations suivantes :

Les longueurs normalisées les plus utilisées sont : 12, 16 ou 20 pieds ; au-delà il y a risque de fléchissement. Le montage se fait par épingles qui peuvent être groupées en série, en parallèle, et en série parallèle. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------56 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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Le démontage facile permet des nettoyages fréquents. Leur inconvénient tient à un encombrement important rapporté à la surface installée. Leur utilisation courante correspond à une surface de l'ordre de 10 à 20m 2 Du point de vue prix, ils peuvent devenir compétitifs vis-à-vis d'un appareil à faisceau et calandre pour des surfaces inférieures à 50 m 2. Très souvent, les tubes intérieurs sont munis d'ailettes extérieures longitudinales qui permettent de réaliser une extension de la surface d'échange dans un rapport  pouvant aller jusqu'à 10 :

Cette extension est intéressante si le coefficient de transfert par convection est faible du côté extérieur. Les ailettes sont fixées soit par brasage, soit par soudure, ou filées par extrusion. Dans ce cas, le tube extérieur est beaucoup plus grand que celui correspondant à un échangeur à paroi lisse. Sur le même principe sont conçus des appareils multitubes composés de 7 à 24 tubes fixés sur une plaque tubulaire, chaque épingle pouvant se dilater indépendamment de l'autre. Par ailleurs, il existe plusieurs systèmes d'étanchéité et diverses conceptions de raccordement selon le niveau de pression.

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Par ailleurs, il existe différents types de boîtes de retour et de systèmes d'étanchéité •  boîtes de retour à couvercle plat ou à bonnet

•

étanchéité assurée par un ou deux joints toriques

Ces appareils sont intéressants pour les facilités qu'ils offrent pour le démontage et l'entretien. Ils peuvent fonctionner en 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.

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Ces échangeurs utilisés depuis l'origine conviennent aux produits sales,  pour des débits faibles, des températures et des pressions élevées. 1.6/RÉCHAUFFEURS DE RÉSERVOIRS

Ces appareils sont utilisés pour maintenir des produits visqueux à un niveau thermique adéquat afin d'assurer leur pompabilité dans des conditions économiques. Ils sont tubulaires; le fluide chauffant circulant à l'intérieur des tubes est le plus souvent de la vapeur d'eau basse pression en condensation. Les tubes sont généralement munis d'ailettes perforées ou non pour compenser le faible coefficient de transfert en convection du côté du fluide visqueux, qu'il y ait agitateur ou non.

Les différentes solutions technologiques sont :  – le serpentin disposé dans le fond du réservoir, constitué en l, par un tube de 2" soit enroulé en hélice, soir assemblé sous forme d'épingles

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les réchauffeurs horizontaux constitués :  – d'épingles

- d'une nappe de tubes avec collecteurs

Lorsque le produit stocké est très visqueux, son maintien en température est onéreux ; on se contente de réaliser un réchauffage local en plaçant un réchauffage --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------60 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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- baïonnette sur la bride d'évacuation, solution intermédiaire entre réchauffage en  bac et réchauffage en ligne.

1.7/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 1000m 2/m3, alors que l’échangeur tubulaire conventionnel présente une capacité de l’ordre de 100 à 200 m2 /m3. NB : Pour des services équivalents, les échangeurs compacts offrent moins de volume et de poids, ont en général une plus grande efficacité thermique. Types des échangeurs co mpacts : Les échangeurs compacts sont présentés selon la classification suivante :  Echangeur à plaque  Echangeurs à plaque en spirale  Echangeur à plaque circulaire  Echangeur à plaques soudées. •

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L'échangeur à spirale est constitué de deux bandes métalliques séparées par des entretoises et enroulées de façon à constituer un corps spiralé à deux canaux. Chaque fluide circule dans l'un des canaux. Ils conviennent tant aux échanges liquide- liquide qu'à la vaporisation et à la condensation. Leur utilisation est limitée aux pressions inférieures à 25 bars et aux températures inférieures à 400°C.

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1.8/ÉCHANGEURS CRYOGÉNIQUES BOBINÉS :

Ce sont des échangeurs tubulaires de conception spéciale permettant d’installer une grande surface d’échange avec un encombrement réduit. •  Principe de construction :

Le faisceau tubulaire est constitué de tubes enroulés par couches en hélice autour d’un cylindre central appelé noyau ou mandrin. Le sens d’enroulement est généralement inversé pour chaque couche successive. Les couches de tube sont supportées par des cales qui assurent un espacement transversal et longitudinale constant entre les tubes. Les extrémités sont fixées dans des plaques tubulaires avec la possibilité de regrouper les tubes par ensemble affectés à un ou plusieurs fluides. Une calandre cylindrique enveloppe l’ensemble du bobinage, elle est alimentée par un seul fluide circulant à contre- courant par rapport aux fluide côté tube. •  Matériaux :

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Les matériaux de construction de la calandre, du noyau et des tubes sont choisis en fonction des critères de résistance à la corrosion, résistance mécanique à la  pression et à la température.

 NB : Le matériau des tubes doit être suffisamment ductile pour permettre leur enroulement en hélice  Pour des applications d’échangeurs bobinés à haute température, l’acier inoxydable est utilisé.  Pour des applications d’échangeurs bobinés à basse température « le cas des applications cryogénique », l’aluminium et le plus souvent utilisé. Avantages :  Ont peut réaliser avec un seul appareil des échanges thermique différents.  Une grande efficacité thermique en raison de la circulation à contre – courant  Des puissances thermiques requises très importantes (de l’ordre de 100MW) associés à des débits de fluides très élevés (plusieurs centaines de t/h) 2  Très grandes surfaces d’échange (de l’ordre de 20000m ) Inconvénients : L’utilisation est limitée en raison des coûts de fabrication très élevés. 

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IV- EXPLOITATION DES ECHANGEURS : Les opérations courantes que l'on effectue sur les échangeurs sont les suivantes 1 - Isolement et mise en sécurité d'un appareil en vue d'un nettoyage, d'un retubage, d'une visite légale pour des raisons liées au procédé 2 - Mise en service 3 - Contrôle normal de l'échange et suivi des performances 4 - Nettoyage des échangeurs. 1- ISOLEMENT ET MISE EN SECURITE D'UN APPAREIL CHAUD OPERATIONS 1 - Ouvrir les vannes de by-pass des circuits (chaud puis froid) . 2 - Fermer la vanne d'entrée du fluide chaud puis du fluide froid (veiller à ne pas isoler une partie chaude de conduite entre deux vannes). 3 - Laisser refroidir l'appareil

4 -Fermer les vannes de sortie 5 - Si le fluide chaud est un produit lourd, réaliser un rinçage au gasoil ou solvant adapté 6 -Vidanger l'appareil Dès que l'appareil est isolé sur vanne il faut commencer la vidange (pour le moins partielle).

7 -Vaporiser ou inerter. 8 - Mettre en place des platines d'isolement d'épaisseurs normalisées en fonction de la pression aux points prévus sur le schéma

JUSTIFICA TIONS- REMARQUES • Ne pas interrompre l'écoulement des

Produits

• L'appareil doit se refroidir progressivement.

La contraction des produits lors du refroidissement doit se faire sans mise sous vide. Un appareil prévu pour résister à la pression ne résiste pas au vide. • Eviter le figeage du produit.

• soit par gravité, après avoir ouvert les

évents, pour des produits à basse tension de vapeur (gasoils, solvants, .. .). • soit vers la torche par des flexibles pour les produits tels que les GPL. Selon consignes • Vers torche (GPL) • slops ou égout huileux (essence, gasoils, ...) • bac pour produits spéciaux. S'assurer une très légère pression de vapeur (quelques mbar). • Les flexibles seront appropriés au fluide. • Les tronçons de conduite et les vannes sont

obligatoirement obstrués.

• Le jointage de l'appareil doit tenir compte du

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I.AP/ SPA. SKIKDA SEMINAIRE : Exploitation des échangeurs à faisceaux et calandre --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------démontage ou non des têtes de l'échangeur pour vaporiser les conduites démontées.

d'isolement. Balayage à la vapeur ou à l'azote de l'échangeur avant ouverture. Remarques :  lors du desserrage des boulons se placer toujours à l'opposé des boulons que l'on desserre. Ne pas effectuer de dédoublage (enlèvement d'un bouton sur deux), avant l'obtention d'un permis de travail.

Si la calandre doit être enlevée certaines platines d'isolement seront remplacées par des brides pleines.

• Renouveler les analyses de gaz tant que les

résultats ne permettent pas de travailler en sécurité.

Si l'appareil a contenu des produits toxiques (H2S, SC3, etc), la mise en sécurité devra s'effectuer avec des masques d'adduction d'air.

2- MISE EN SERVICE D'UN ECHANGEUR CHAUD

OPERATIONS 0 -Epreuve à la pression de service

JUSTIFICATIONS- REMARQUES • par le service entretien

1 -Enlever les platines  d'isolement et mettre en place des joints neufs.

• masque d'adduction d'air si nécessaire.

2 - Inerter  suivant consignes calandre et faisceau.

• azote ou vapeur • pour chasser l'air si possibilité de création

3 - Remplissage côté flui de froid de bas en haut avec. le produit process ou du produit adapté (ex : gasoil, solvant) . 4 - Echangeur plein, fermer l'évent, et faire circuler le produit froid . 5 -Faire circuler le pro duit c haud .

de mélange explosif. • évent ouvert s'il n'y a pas eu d'inertage, et flexible vers égout. • vanne du bas ouverte décoller la vanne du

haut. • vanne du bas ouverte, vanne du haut

décollée.

• réaliser une montée en température

progressive (50 °.C/heure) 6 -Fermer les vann es de by-pass  calandre et faisceau. 7 -Resserrage à chaud des brides . 8 -"Vérifications

• • • • •

respecter la montée en température. surveiller les fuites aux brides. appareil en service normal démontage des flexibles. bouchonnage des purges et évents.

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3- MISE EN SERVICE D'UN ECHANGEUR FROID

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4-ISOLEMENT D'UN ECHANGEUR FROID

5/CONTROLE NORMAL DE L'ÉCHANGEUR ET SUIVI DES PERFORMANCES

Pour un produit donné, on caractérise la qualité d'un échange thermique par le coefficient global d'échange . L'encrassement de l'appareil est suivi par le calcul de ce coefficient à partir du relevé des températures entrées et sorties des deux fluides et des deux débits . Sur les échangeurs à forte charge thermique et qui sont connus pour s'encrasser rapidement, le calcul du coefficient d'échange est fait régulièrement, quelquefois directement par ordinateur. A partir d'une certaine valeur d'encrassement il peut devenir économique d'effectuer le nettoyage de l'échangeur en marche s'il est  possible.

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5.1/ Résistance d’encrassement et suivi des échangeurs : Il est nécessaire pour l’exploitant de faire régulièrement le suivi de fonctionnement des échangeurs, afin de connaître l’évolution de la résistance de salissement R s, ce qui permettra de déterminer la date d’arrêt de l’appareil en vue de procéder à son nettoyage. R S =

U P − U S  U P .U S 

en h.m2.°C/ cal

La détermination périodique du coefficient de transfert U s’effectue par application de la relation Q = U .S .F . DTLM  Q C’est –à- dire : U  = S .F .( DTLM ) cc

Les éléments à relever sur l’unité sont les suivants : - débit en volume V et v des deux produits exprimés en m 3/h à 15°C. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------71 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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- Masse volumiques ρ1 et ρ2 des deux produits à 15°C. - Chaleur spécifiques C et c en K cal/kg.°C. données par le labo ou recherchées dans les tables de données physiques - Surface d’échange de l’appareil S en m 2 - Quatre températures T 1, T2, t1 et t2  relevées généralement par la mise en  place provisoire de thermomètres sur les tuyauteries entrées et sorties. - A partir de ces éléments, la procédure de calcul est la suivante : 1) Calcul de MC, mc et R : MC=Vρ1 C Mc=V ρ2 C Donc  R  = mc

 MC 

2) calcul de la quantité de chaleur échangée : Q = MC (T 1 − T 2 )

Q = mc(t 2 − t 1 ) Contrôle des résultats obtenus par ces 2 relations et qui doivent être peu différents, si non il y a lieu de rechercher l’erreur sur M, m, C, c ou les températures.

3) détermination de la (DTLM) C.C : ΔT 1 = T 2 − t 1 ΔT 2 = T 1 − t 2

Lecture DTLM sur abaque

4) détermination du facteur de correction F :  E  =

 R  =

t 2 − t 1

mc  MC 

T 1 − t 1

Lecture de F sur abaque 5) calcul de U : U  =

Q S .F ( DTLM ) C .C 

6) calcul de la résistance R S

 RS  =

U P − U S  U P .U S 

UP est calculé à la mise en service de l’appareil neuf ou après nettoyage. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------72 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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Afin de pouvoir valablement rapprocher U S et UP. Il est indispensable pour le calcul de U S que : - la qualité des produits - leur débit M et m - et leur température d’entrée T 1 et t1 Soient du même ordre de grandeur au moment des relevés. 6) comparaison de R S à la limite standard R S0 admise par le service technique  pour déclancher le nettoyage de l’appareil : Après exécution de l’exercice, il y a lieu de faire les remarques suivantes : a) l’encrassement de l’appareil ne peut se suivre par le simple examen des températures, car les petites variations de débit ou de qualité des produits  produisent des variations de températures du même ordre de grandeur que celles dues à l’encrassement.  b) des variations de températures relativement faibles correspondant à une diminution très sensible du coefficient de transfert.

Exercice : Un échangeur de 40m 2 assure le refroidissement d’un produit chaud A par un produit froid B. les relevés de fonctionnement de l’appareil à l’état  propre et à l’état sale sont les suivants : 3

Produit V à 15°C. (m /h) chaud A ρ1 à 15°C. C (Kcal/kg°C) T1  (°C) T2  (°C)

Produit froid B

V à 15°C.(m3/h) ρ2 à 15°C C (Kcal/kg°C) t1  (°C) t2  (°C)

 propre 42 0.89 0.56 140 105

sale  40 0.88 0.56 138 107

 propre 28 0.78 0.48 40 110

sale 30 0.80 0.48 42 95

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Calcul de la résistance d’encrassement R S :

- calcul de :MC=v ρ1 C mc = vρ2 c R=mc/MC - Q=M.C. (T1 – T2) - Q=mc (t2 – t1) - Qmoy = -

ΔT 1 = T 2 − t 1

-

lecture DTLM (°C) calcul E = (t2 – t1) / (T1 – t 1) lecture de F calcul U=Q/S.F.(DTLM)

ΔT 2 = T 1 − t 2

- calcul R S = (UP-US)/UP.US

20.93 10.48 0.50 732550 733600 733000 65 30 46 0.70 0.74 538

19.71 11.52 0.58 611010 610560 610500 65 43 53 0.55 0.90 320

12.7X10-4

Dans l’exemple traité, la variation de température du produit chaud entre ΔT P = 140 − 105 = 35°C 

l’état propre et l’état sale passé de à:

àΔTs = 138 − 107 = 31°C .  ce

qui correspond

- une perte de quantité de chaleur échangée égale à : (733000-610500) / 733000 = 17% - une chute du coefficient de transfert égale à : (538 – 320) / 538 = 41%. • Remarques :

Les indices de l’encrassement des échangeurs sont : - l’augmentation des pertes de charge des fluides circulant à travers l‘appareil, ceci est due aux dépôts de saletés. - Diminution de l’efficacité des échangeurs de chaleur qui se manifeste par des changements de pression ou des écarts de températures des fluides dus aux encrassements et des dépôts sur les parois - Prévention de l’encrassement pendant les phases de fonctionnement: Les procédés mécaniques ou chimiques de prévention de l’encrassement pendant la  phase de fonctionnement de l’échangeur peuvent améliorer de façon significative --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------74 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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les performances de l’appareil, mais également permettent d’augmenter le temps de service entre deux arrêts de maintenance. -Procédés mécaniques pour les liquides : les techniques utilisées pour les liquides sont bien adaptés lorsque les dépôts sont tendres et friables, avec une résistance de réentraînement faible. Diverses techniques sont disponibles sur le marché pour le nettoyage en continue de la surface interne d’échangeurs tubulaires : a boules, à brosses ou à ressort. Ces  procédés nécessitent une filtration en amont de l’échangeur.

6-NETTOYAGE DES ÉCHANGEURS :

Lorsque la qualité de l'échange diminue, il faut procéder au nettoyage de l'appareil qui peut s'effectuer de deux façons, soit en marche à l'aide de produits chimiques, soit mécaniquement après démontage de certains éléments.

6.1/Nettoyage en marche : Ce procédé est utilisé sur le côté à nettoyer s'il peut être bipassé. Les températures de fonctionnement doivent correspondre à celles du nettoyage (solutions chimiques ); sinon il faut isoler l'autre fluide . On utilise comme agent de nettoyage des solutions à base d'acides chlorhydrique ou sulfurique que l'on fait circuler dans l'appareil. De nombreux produits existent sur le marché et leur utilisation nécessite une connaissance exacte des matériaux constituant l'appareil et de la nature des dépôts. La durée de l'opération sera fonction de la qualité et de l'épaisseur des dépôts; des analyses fréquentes seront effectuées sur le produit de circulation : suivi du pH. En fin de nettoyage, on fera circuler un produit neutralisant à base de soude ou de carbonate de soude. La mise en œuvre de produits chimique dangereux nécessitera le balisage de l'aire et le port par le personnel du matériel individuel de protection. 6.2/ NETTOYAGE MÉCANIQUE APRES DÉMONTAGE

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Après dépose des têtes de distribution, un faisceau peut être nettoyé sur le site soit à la main (tube par tube) à l'aide d'un écouvillon, monté sur tige ou sur turbine à air, ou au moyen d'un jet d'eau haute pression . l'utilisation de pompe haute  pression (HP) pouvant atteindre 100 bars ou plus nécessite le respect des consignes de sécurité liées à la mise en oeuvre de ces engins (risques de rupture des flexibles). Selon la nature des dépôts, on peut être amené à faire tremper le faisceau dans des solutions chimiques et ensuite effectuer un "mitraillage" à la pompe haute pression.

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V/ Problèmes d’exploitation  : 1/ Formation des hydrates : I-1 Introduction :

Dès le début du siècle, l’exploitation du gaz naturel s’est heurtée à des difficultés liées au bouchage des canalisations par dépôt de cristaux, d’abord considérés comme étant de la glace. Ces cristaux sont, en fait, constitués par des hydrates de gaz naturel apparaissant bien au-dessus de la température de formation de la glace. Il s’agit de composés d’inclusion que forment avec l’eau certains composés du gaz naturel et en tout premier lieu le méthane. Les hydrates, appelés aussi clathrates, sont en fait une combinaison physique entre l’eau et d’autres molécules- généralement de dimensions plus faibles- pour  produire un édifice cristallin cristallin ressemblant à celui de la la glace mais de structure différente. Cet édifice solide comporte des cavités de différents diamètres que viennent occuper diverses molécules telles que : CO 2,H 2 S, CH 4,C 3 H 8,C 4 H 10.La stabilité de l’hydrate dépend du taux d’occupation des cavités de l’édifice cristallin  par ces molécules. Pour éviter le bouchage, les canalisations de production et de transport doivent être  protégées des risques de formation d’hydrates. d’hydrates. Une première façon d’y arriver consiste à déshydrater le gaz naturel. Lorsque ce n’est pas possible il faut se placer dans conditions de température et de pression permettant d ‘éviter la formation des hydrates(chauffage, dépressurisation…) ou introduire un inhibiteur(méthanol, glycols…). I-2 Bref historique des hydrates : ▪Les hydrates étaient découverts pour la première fois par Humphrey Davy et Michael Faraday alors qu’ils travaillaient sur une solution de chlore et d’eau. Ils étaient surpris par la formation d’un solide s olide ressemblant à de la glace mais bien au-dessus de la température de formation for mation de la glace. Ils réalisèrent qu’ils viennent de découvrir un corps spécial. ▪Les hydrates restèrent largement une curiosité durant tout le dix-neuvième siècle. ▪De Forcrand et Villard découvrirent après plusieurs corps qui forment des hydrates. ▪En 1930,Hammerschmidt expliqua le bouchage des pipe-lines hautes pressions --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------79 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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 par la formation d’hydrates. L’Université du Michigan sous la direction de Katz réalisa la plupart de ces recherches. ▪Entre 1940 et 1950,Von Stackelberg étudia la structure des hydrates en utilisant la diffraction aux rayons X. ▪En 1959,Vander Waals et Platteeuw furent les premiers à publier un modèle thermodynamique rigoureux permettant la prédiction de la température de formation des hydrates à une pression donnée.

2/Nature, structure et condition de formation des Hydrates 2.1/Liaison hydrogène dans la molécule d’eau : La formation des hydrates étant liée à la présence d’eau dans le gaz naturel, la connaissance de certaines propretés de l’eau sont nécessaires pour la bonne compréhension du phénomène lié à la formation des hydrates. La formule de la molécule d’eau est H 2 O.Sa masse molaire est égale à 18,01g/mole. Cette molécule n’est pas linéaire. L’oxygéne a six électrons sur sa couche externe dont deux engagés dans la liaison O-H.Les quatre électrons restants forment deux doublets électroniques libres. Ces deux liaisons et ces deux doublets s’orientent de façon symétrique dans l’espace en délimitant un tétraèdre dont le centre est occupé par l’atome d’oxygène. Dans un tétraèdre parfait comme le méthane, l’angle de la liaison H-C-H est égal à 109,5°. Dans le cas de l’eau, l’angle que forme l’édifice H-O-H est égal à 104,5°.Cette différence à l’effet de répulsion électrostatique qu’exercent les deux doublets libres sur la liaison O-H.Sous cet effet l’angle se referme.

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Bien que la molécule d’eau soit globalement neutre, les électrons ne sont pas répartis uniformément. L’oxygène a une grande capacité à attirer les électrons que l’hydrogène. Cette propriété est appelée électronégativité. Chaque élément possède une valeur d’électronégativité. Celle de l’oxygène est égale à 3,5 et celle de l’hydrogène vaut 2,1. Le nuage électronique possède donc une dissymétrie, il est plus dense autour de l’oxygène. La liaison O-H est pour cela héteropolaire. L’atome d’oxygène porte une charge électrique partielle(2 δ-) tandis que chaque hydrogène déficitaire en électrons porte une charge positive partielle( δ+).Chaque liaison O-H se comporte comme un dipôle électrique dont la résultante n’est pas nulle puisque la molécule,  bien que possédant un plan de symétrie, n ‘est pas linéaire. La molécule d’eau est  pour cela dite polaire. L’eau est par voie de conséquence un très bon solvant pour les substances inorganiques. De cette polarisation découle également l’existence d’une attraction électronique entre l’atome d’oxygène et les atomes d’hydrogène d’une même molécule.

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Considérons maintenant un ensemble de molécules d’eau. Chacune d’elle possède un moment dipolaire résultant de sa géométrie et de la polarité de la liaison OH. Il va alors s’établir de nouvelles liaisons entre les molécules.

Ces interactions moléculaires, appelées liaisons hydrogène, sont beaucoup plus faibles que les liaisons covalentes O-H. Leur existence a été soupçonnée dés 1920. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------82 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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Leur énergie est de l’ordre de 20 kJ/mole, alors que 467kj/mole sont nécessaires  pour casser la liaison O-H. Elles s’établissent entre les hydrogènes appauvris-en électrons et les doublets électroniques libres d’un atome d’oxygène d’une molécule voisine. Cette liaison de nature purement électrostatique est notée par des pointillés de la manière suivante : O-H….O. De part la faible énergie associée à la liaison hydrogène, la distance séparant les entités chimiques qu’elle relie est grande mais cette liaison est très stable à température ambiante. Toutefois à d’autre température elle change de géométrie. Par exemple lorsque l’eau gèle, les molécules d’eau s’organisent de manière à constituer un réseau cristallin ordonné qui impose une géométrie à la liaison O-H….O et un éloignement des molécules les unes par rapport aux autres. Tout comme la glace, le réseau cristallin des hydrates est du à une certaine géométrie de la liaison hydrogène O-H….O mais cette fois-ci la structure cristalline comporte des cavités ou cages, dans lesquelles sont piégées les molécules de gaz qui stabilisent la structure. Ces molécules emprisonnées sont elles mêmes retenues dans les cages par des forces intermoléculaires de nature électrostatiques.

2/ Eaux de gisements : --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------83 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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La formation d’hydrates étant à la présence d’eau dans le gaz naturel, les  propriétés thermodynamiques des systèmes eau-hydrocarbures seront abordées  brièvement avant d’entamer la structure des hydrates et les conditions favorables à leur formation. Les eaux de gisements proviennent de l’aquifère sous-jacent. La mise en mouvement de l’aquifère (poussée des eaux) contribue à ralentir le déclin de  pression du réservoir. La présence d’eau est à l’origine non seulement de la formation d’hydrates mai également de dépôts dans les puits de production par cristallisation de sels dissous. La salinité des eaux de gisements varie entre quelques centaines de p.p.m pour les eaux douces jusqu’à plus de 400 grammes par litre pour certaines saumures. Les eaux de gisements peuvent être d’origine marine. Elles sont alors caractérisées  par des teneurs élevées en chlorures, particulièrement en chlorures de sodium, quelquefois supérieures à la teneur dans l’eau de mer.

3/Solubilité du gaz naturel dans l’eau: Les gaz naturels sont très peu solubles dans l’eau même sous des pressions élevées. La solubilité dans l’eau pure dépend de la pression et de la température. En général, la solubilité des différents hydrocarbures diminue fortement avec le nombre de carbone à une pression et températures données L’effet de la pression n’est marqué que pour les hydrocarbures les plus légers. Par exemple la solubilité du butane (en fraction molaire d’hydrocarbure x 10 3) à 104°C et 69 bars est d’environ 0.15 et varie peu avec la pression, celle du propane dans les mêmes conditions vaut 0.3 et varie peu avec la pression aussi, celle de l’éthane est autour de 0.6 et varie modérément avec la pression alors que celle du méthane est égale à 1.0 et varie fortement avec la pression. La salinité des eaux de gisements influence la solubilité : une saumure contient moins de gaz en solution que l’eau pure dans les mêmes conditions. Par exemple, une saumure contenant 100g/l de sels à 38°C, solubilise 40%moins de gaz que l’eau pure dans les mêmes conditions. Si on s’intéresse maintenant à la solubilité de l’eau dans les hydrocarbures liquides, on s’aperçoit que la solubilité augmente cette fois avec le nombre de carbone à l’exception du cas du propane comme le montre la figure suivante : 4/ Teneur en eau des gaz naturels : La teneur en eau d’un gaz naturel dans les conditions de saturation dépend --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------84 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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essentiellement de la température et de la pression. Des corrections peuvent être apportées pour tenir compte de la composition du gaz et de la salinité de l’eau. Les sels en solution dans l’eau réduisent sa pression réduite en phase vapeur et la teneur en eau du gaz se trouve donc diminuée.

Autres informations importantes sur les hydrates : •Les hydrates ne sont pas stoechiométriques : un hydrate stable peut se former sans que toutes ses cages soient occupées. Le degré de saturation dépend de la Température et de la pression. • Par exemple, H 2 S forme un hydrate à 10 °C et 290 kPa. Dans ces conditions, les grandes cavités sont remplies à 98.1% alors que les petites cages ne sont remplies qu’à 93.8% seulement. De la même manière, le CO 2 forme un hydrate à 5°C et 2230 kPa. A cette pression et cette température, les grandes cages sont remplies à 98.6% et les petites à 78.2% seulement. • Le butane normal est un cas spécial : en lui-même il ne forme pas d’hydrate mais en présence de constituants qui forment des hydrates il peut pénétrer l’hydrate. • Les molécules plus grandes que le butane normal ne forment jamais des hydrates de structure I ou de structure II. Seulement quelques molécules, plus grandes que le butane normal, forment des hydrates de structure H. En particulier le cyclohexane, le méthyle cyclohexane, le méthyle cyclopentane et le cycloctane. • Les hydrates peuvent représenter une énorme source d’énergie. En effet ils sont très abondants dans les grandes profondeurs des mers et des océans et d’après certaines estimations il y a dix fois plus d’hydrates que de gaz naturel. Si on prend l’exemple de l’hydrate de méthane, on peut démontrer qu’un mètre cube d’hydrate contiens 170 m 3 de gaz méthane dans les conditions standards alors qu’un mètre cube de méthane comprimé à 7 MP a et 300 K contiens seulement 74.4 m 3 rapportés aux conditions standards. Par contre un mètre cube de méthane liquéfié à son point d’ébullition normal( 1 atmosphère et -161.5°C) contiens 622 m 3, moyennant une dépense d’énergie extraordinaire en contre  partie.

-6/ Conditions thermodynamiques favorables à la formation des hydrates : Avant tout, signalons que les hydrates peuvent se former à partir de l’eau et un hydrocarbure pur(ils sont alors appelés hydrates simples ou purs) ou bien à partir --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------85 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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de l’eau et un mélange d’hydrocarbures et ils sont alors appelés hydrates complexes. Les conditions thermodynamiques favorables à leur formation (qu’ils soient simples ou complexes) sont toutefois les mêmes, à une exception prés, qu’on verra  plus tard pour les gaz naturels. Ces conditions thermodynamiques( pression et température principalement)  peuvent être déduites du diagramme de phases lorsqu’un hydrate se forme à partir d’un hydrocarbure pur schématisé ci-dessus :

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Sur ce diagramme, la courbe 1 représente la courbe de tension de vapeur de l’hydrocarbure pur. La courbe 2-2*-2** limite le domaine de formation des hydrates. Le changement de pente en PQB (point quadruple bas) correspond au changement de phases eau-glace. Au point PQB coexistent les phases : hydrocarbure gazeux, eau liquide, glace et hydrate. Le changement de pente en PQH (point quadruple haut) correspond au changement de phases de l’hydrocarbure. Au point PQH coexistent les phases : hydrocarbure liquide, hydrocarbure gazeux, eau liquide et hydrate. Les pentes des différentes courbes et donc l’étendue du domaine qui limite la formation des hydrates varient avec la nature de l’hydrocarbure. En voici deux exemples : • Diagramme de phases de l’éthane : Ce diagramme a été tracé à partir de données expérimentales dont certaines datent de 1946 mais qui concordent bien avec les autres données. Le domaine de stabilité de l’hydrate est important car la pente de la courbe 2** est très élevée ce implique qu’à haute pression l’hydrate d’éthane se forme à des températures relativement élevées.

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• Diagramme de phases du méthane :

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On remarque que, pour le méthane aussi, le domaine de stabilité de l’hydrate est important Autre remarque intéressante : ce diagramme ne présente pas un point quadruple haut parce que tout simplement la courbe de tension de vapeur du méthane ne peut être insérer dans ce diagramme : à des températures supérieures à 270 K le méthane ne peut être qu’à l’état vapeur quelle que soit la pression. D’après ces diagrammes on voit que la formation d’hydrates est favorisée par les hautes pressions et les basses températures. D’autres facteurs d’ordre hydrodynamiques et cinétiques contribuent à la formation d’hydrates. Ces facteurs sont : • Turbulence de l’écoulement (vitesse d’écoulement élevée). --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------89 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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• Pulsation de pression. • Tout type d’agitation. • Présence de fines particules jouant le rôle de sites de germination de cristaux d’hydrates : poussières de toute sorte, oxydes de corrosion, microcristaux d’hydrates eux-mêmes… • Sites physiques servant à agglomérer les cristaux d’hydrates : coudes, orifices… Pour éliminer les hydrates formés, il suffit en principe de réaliser des conditions de température et de pression situées en dehors du domaine de formation des hydrates. Toutefois, la disparition des hydrates peut être longue et difficile à obtenir. Des observations effectuées au laboratoire ainsi que sur le terrain, ont mis en évidence la présence d’hydrates hors équilibre pendant des périodes de plusieurs heures à  plusieurs jours. D’autre part, la présence de cristaux microscopiques d’hydrates  persiste pendant une durée relativement longue après la disparition visuelle des hydrates ce qui jouera le rôle de sites futurs de germination d’autres cristaux d’hydrates. Pour les mélanges d’hydrocarbures- tel que les gaz naturels- la composition du mélange et donc sa densité relative joue un rôle très important dans la délimitation du domaine de formation des hydrates et pratiquement chaque gaz naturel a un digramme de phases propre à lui.

7/ Méthodes de prédiction de la température de formation des hydrates : Pour les hydrates simples, la température de formation des hydrates peut être directement lue à partir du diagramme de phases de l’hydrocarbure en question. Ces diagrammes de phases sont très précis parce qu’ils sont construis à partir de données expérimentales de différentes sources sures et qui concordent toutes. Généralement les diagrammes de phases des différents constituants du gaz naturel sont regroupés dans une même figure de telle façon à pouvoir lire les températures respectives de formation d’hydrate des divers constituants à une  pression donnée. Généralement aussi seuls les points quadruples bas sont représentés. Ci-dessus les diagrammes de phases de plusieurs constituants du gaz naturel :

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Exemples d’utilisation : • A 5 MP a, la température de formation de l’hydrate d’iso butane est approximativement 2°C, celle du propane est approximativement 6°C, celle du méthane pratiquement 7°C, celle du CO 2 est pratiquement 10°C, celle de l’éthane pratiquement 15.1°C et finalement celle de H 2 S pratiquement 30°C. • A 1MPa et 5°C, l’éthane, le propane et H 2S forment des hydrates alors que le méthane, l’iso butane et le CO 2 ne forment pas. • A 0.1MPa l’iso butane formera un hydrate à une température légèrement négative alors que H 2S à une température légèrement positive. Les autres constituants ne forment pas d’hydrates. Pour le gaz naturel, il existe aussi des diagrammes qui permettent de prévoir la température de formation des hydrates en considérant comme paramètre la densité du gaz naturel par rapport à l’air. La présence de propane et de butane dans le gaz naturel contribue à augmenter la densité et à relever la température de --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------91 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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formation des hydrates. La présence d’azote abaisse au contraire cette température et certains diagrammes apportent un facteur de correction pour tenir compte de ce fait. En réalité, l’effet de l’azote n’est pas marquant, et la plupart des diagrammes omettent d’introduire un facteur de correction lié à la présence d ‘azote dans le gaz naturel. De toute façon, ces diagrammes sont peu précis, et ne sont utilisés en pratique que  pour avoir une première indication concernant les conditions de formation des hydrates. Ci-dessus un exemple de ces diagrammes :

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Exemples d’utilisation : • A 10 bars(1000 kPa) un gaz naturel de densité relative égale à 0.6 forme-en  première approximation- des hydrates à 0°C, un gaz naturel de densité relative égale à 0.7 forme des hydrates à pratiquement 4°C alors qu’un gaz naturel de densité relative égale à 0.8 forme des hydrates à 6°C. 3/Prévention des hydrates

La formation des hydrates peut être évitée en se plaçant en dehors des conditions thermodynamiques de formation des hydrates. Ceci peut être réalisé en augmentant la température à une pression constante donnée, ou en abaissant la pression à une température constante donnée. Si c’est impossible, il est impératif pour éviter la formation des hydrates, soit de réduire la teneur en eau du gaz par une opération de déshydratation ( absorption de l’eau par un solvant liquide hygroscopique tels que les glycols, adsorption de l’eau sur un adsorbant solide tels que les tamis moléculaires, perméation gazeuse à travers une membrane sélective…), soit d’utiliser un inhibiteur. Les inhibiteurs agissent comme des antigels. Ce sont des solvants miscibles en  phase aqueuse qui permettent d’abaisser la température de formation des hydrates. 3-1 :Méthodes d’inhibition thermodynamique de la formation des hydrates :

3-1-2 Déshydratation par les alcools : Ce procédé de déshydratation met en œuvre le principe de lavage à contre courant du gaz par un solvant physique en vue d’une dissolution physique. Les propriétés recherchées pour le solvant liquide sont : - Grande affinité pour l’eau. - Coût réduit. - Caractère non corrosif. - Stabilité à l’égard des hydrocarbures. - Facilité de régénération et stabilité thermique. - Viscosité réduite aux températures de travail. - Faible tension de vapeur à la température de contact de l’absorbeur. - Solubilité dans les hydrocarbures réduite. - Faible tendance au moussage. Les liquides hygroscopiques les plus utilisés appartiennent à la famille des glycols dont la forte affinité pour l’eau s’explique par la liaison hydrogène. Le tableau suivant rassemble les principales propriétés des glycols commerciaux : --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------94 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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• Cas du méthanol :

En raison de son efficacité- à concentration massique égale, l’abaissement de température occasionnée par le méthanol, est plus élevée que pour n’importe quel glycol-, de son coût peu élevé et de sa large disponibilité, le méthanol est très fréquemment utilisé soit temporairement pour détruire un bouchon, soit en continu  pour éviter la formation des hydrates. Ci-dessus, un système d’injection typique de méthanol . Le méthanol est peu visqueux et n’est pas corrosif. Par contre, sa forte tension de vapeur conduit à des pertes importantes en phase gazeuse. De plus, la régénération  par distillation du méthanol est relativement coûteuse. De ce fait, le méthanol est souvent consommé en permanence, sans être récupéré. Les dépenses peuvent être considérables, mais les problèmes de moussage, de corrosion et de pollution sont éliminés. Le méthanol peut être aussi utilisé pour la déshydratation du gaz naturel avec récupération des hydrocarbures lourds à l’état liquide dans un procédé complexe et coûteux mettant en jeu la détente du gaz à travers un « turbo-expander ». --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------95 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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• Chauffage : Pour maintenir le gaz au-dessus de la température de formation des hydrates, une  première solution, particulièrement appropriée dans le cas d’une ligne de collecte de faible longueur, consiste à isoler conduite. Si le transport est effectué sur une distance relativement importante, cette méthode, en général, ne suffit pas ou devient d’un coût prohibitif. Un dispositif d’isolation des conduites est souvent associé à un chauffage d’appoint électrique. Le chauffage est assuré soit par des rubans chauffants électriques, soit par induction d’un courant électrique superficiel dans la conduite à chauffer. L’isolation permet d’éviter une consommation d’électricité excessive . Un chauffage momentané peut être également utilisé pour éliminer un bouchon d’hydrates. Cette opération nécessite de nombreuses précaution. Le chauffage ne doit pas être brutal pour éviter des contraintes excessives dans la conduite. Il est nécessaire également de faire fondre d’abord les extrémités du bouchon et de  progresser vers le centre ; en effet, si les hydrates sont dissociés au centre, il peut en résulter une suppression dangereuse, risquant de conduire à une rupture de la conduite. Lorsque le bouchon d’hydrates est fondu, l’eau formée doit être éliminée  pour éviter les risques de formation d’un nouveau bouchon . Une des solutions possibles pour fournir la chaleur nécessaire consiste à effectuer une réaction chimique exothermique (Hale, 1988). La réaction entre le nitrite de sodium (Na NO2) et la nitrate d’ammonium (NH4 NO3) est une de celles qui  peuvent être mises en jeu :  Na NO2 + NH4 NO3 N2 +2H2O + Na NO3 Le nitrate de sodium obtenu a un effet inhibiteur en solution, favorisant également la fusion des hydrates. Un des inconvénients de cette méthode est la formation d’azote qui peut contribuer au risque de surpression.

2/L’encrassement par corrosion C’est le résultat d’une réaction chimique ou électrochimique entre la surface de transfert de chaleur et le fluide en écoulement. Les produits de la réaction qui se forment et restent sur la surface d’échange créent l’encrassement.

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- Entartrage :

Il est généralement associé à la production d’un solide cristallin à partir d’une solution liquide. Il dépend donc de la composition de l’eau industrielle. Lorsque les sels dissous sont, comme le carbonate de calcium, à solubilité inverse, le liquide devient sursaturé au voisinage de la surface d’échange plus chaude ; la cristallisation se produit alors sur la surface et le dépôt est dur et adhérent ; dans le cas contraire d’une cristallisation se produisant au sein même d’un liquide plus chaud que la surface, le dépôt est plus mou et friable.

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- vérification d’étanchéité. Dans l’échangeur, il se manifeste deux fuites 1- fuites externes : détection visuelle et facile 2- fuites internes : elles ne peuvent être détectées qu’après analyse périodique des échantillons du produit dont la précision est plus faible Les causes les plus répandues des fuites internes est la détérioration des tubes et de la tête flottante Le faisceau : corrosion bilatérale donc perçage des tubes, diminution d’épaisseur dans ce cas les tubes ne résistent plus à la pression Les causes des fuites externes : un dédouanage imparfait, le fluage des goujons et l’endommagement des joints d’étanchéité dans la tête flottante ainsi qu’un montage non qualifié. - Exemple de détection de fuites de tubes La vérification périodique de l’étanchéité des tubes de condenseurs et d’échangeurs est essentielle pour maintenir leurs performances initiales. Le KIT LD 2X2 permet un contrôle rapide et précis des fuites de tubes. Fonctionnement : Le KIT LD 2X2 se compose de 2 pistolets légers que l’on introduit dans chaque extrémité du tube. Le tube est ensuite pressurisé jusqu’à stabilisation de la  pression. Si les manomètres indiquent ensuite une chute de la pression le tube fuit --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------98 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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V/ TRAVAUX SUR ECHANGEURS : 1- INTERVENTIONS SUR ÉCHANGEURS

II arrive fréquemment que le service entretien intervienne sur les échangeurs hors arrêts importants . Les raisons de ces interventions sont multiples • appareil encrassé - côté tube ou calandre • étanchéité douteuse après plusieurs chocs thermiques subis lors des

changements de régime • fuites sur un ou plusieurs tubes • fuites non étanchables aux joints de boîte de distribution, etc. • visite réglementaire (se fait généralement lors des grands arrêts)

Deux cas sont possibles • l'appareil peut être isolé sans dommage pour la production • l'appareil ne peut être arrêté sans arrêt total de la section ou de l'unité à

laquelle il appartient Dans les deux cas, les travaux doivent s'effectuer rapidement, il est donc nécessaire de planifier, de préparer et de suivre avec attention leur déroulement.

Lors de la préparation de l'échangeur pour visite et travaux, on vérifiera si --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------99 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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- les joints sont disponibles (joints pour épreuve et pour montage final) - les tiges filetées sont en bon état et ne nécessitent pas de remplacement - les platines d'isolement sont disponibles en nombre et en quantité (épaisseur suivant règles en vigueur) 2 - CONSTITUTION D'UN ÉCHANGEUR Le schéma ci-après représente un échangeur de type  AES. • L'appareil est constitué d'une calandre • d'une boîte de distribution avec ou sans couvercle • d'un couvercle de calandre (côté tête flottante) • d'un faisceau tubulaire • d'une tête flottante avec anneau en 2 parties • de chicanes, de tirants et d'entretoises

3- PLATINAGE DE L'APPAREIL Pose des joints pleins côté boîte de distribution et côté calandre suivant liste établie au préalable comportant diamètre, épaisseur des platines et date de pose.

4- DETAIL INTERVENTIONS SUR LES ÉCHANGEURS • • •

nettoyage intérieure et extérieur des tubes démontage et remontage du faisceau recherche de fuite

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détubage, retubage partiel ou total

a- nettoyage : Selon l'importance de l'encrassement on peut nettoyer l'appareil en place à l'eau, à la vapeur ou avec un produit chimique . Ceci peut se faire, l'échangeur en service ou l'échangeur hors service . Le nettoyage hors service nécessite le platinage et la circulation du produit chimique généralement dans les deux sens de circulation.

b- démontage et remontage du faisceau : Démontage : • isolement par les joints pleins • démontage boîte de distribution, couvercle calandre et tête flottante • sortie du faisceau • nettoyage de toutes les pièces déposées Remontage : • mise en place du faisceau • montage boîte de distribution et tête flottante • épreuve côté faisceau • montage couvercle calandre • épreuve côté calandre • dépose des joints pleins d'épreuve c- Recherche de fuite :  Ap plic ation

Exploiter les opérations suivantes recherche de fuite du joint de tête flottante, échangeur en place recherche d'un tube fuyard échangeur en place épreuve du faisceau au sol Le détail de l'anneau d'essai éventuellement nécessaire pour ces opérations est représenté planche n°l • • •

Joints de tête flot tante fuyard - Planch e 2

isolement par joints pleins d'épreuve côté calandre dépose couvercle calandre mise en pression côté faisceau (intérieur des tubes) afin de constater si la fuite est côté joint tête flottante, si oui --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------101 Préparé par Mr :A.MENIDJEL • • •

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déposer la tête flottant e, changer le joi nt et faire l'épreuve Un ou plusieurs tubes fuyards

pose de joints pleins ou de brides pleines sur les tubulures côté faisceau déposer la tête flottante et remettre à la place l'anneau d'essai si la boîte de distribution a un couvercle, le déposer (planche n°3 et planche n°1) si non mettre à sa place la contre- bride d'épreuve (planche n°4) mise en pression côté calandre (extérieur des tubes) L'eau pénètre à l'intérieur du tube fuyard et apparaît aux extrémités . • • • • •

Nota Rechercher un tube fuyard sans utiliser l'anneau d'essai est une opération pratiquement vouée à l'échec car l'eau pénètre dans le tube percé, remplit la tête flottante et s'écoule par n'importe quel autre tube (planche n°5).

bouchonner le ou les tubes fuyards (10 % maximum sauf règle contraire) dès que l'épreuve est bonne, dépose de la contre-bride d'épreuve et de l'anneau d'essai • remplacer les joints utilisés lors de ces opérations sans oublier le joint entre la plaque tubulaire et la bride de calandre (sortir dans ce cas le faisceau d'environ 1 m) • remontage de l'appareil • •

Épreuve du faisceau au sol

L'emploi de la contre -bride d'épreuve, remplaçant la bride avant la calandre, est indispensable (planche n°6). d- détubage, retubage parti el ou total : Détubage partiel

Le détubage partiel est nécessaire pour remplacer des tubes fuyards, ou pour prélèvement d'échantillons . Il se fait par : • par découpage au chalumeau des tubes à éliminer • par détubage avec la machine hydraulique (tube puller) L'avantage de tube puller est de dégager directement des alvéoles. Détubage total : --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------102 Préparé par Mr :A.MENIDJEL

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découpage des tubes au plus près dés deux plaques tubulaires (généralement à la scie circulaire) nettoyage des plaques tubulaires par débagage des alvéoles avec alésage préalable de la partie dudgeonnée au diamètre extérieur du tubes moins 1 mlm nettoyage .soigné des alvéoles et de leurs rainures libérer les chicanes, les tirants, les entretoises procéder au nettoyage complet de toutes les pièces

Retubage total

remontage du squelette de l'échangeur (plaques tubulaires, chicanes, tirants, entretoises) avec mise de niveau sur un châssis berceau • mis-en place des tubes et dudgeonnage • dudgeonnage avec machine à limiteur de couple avec graissage et nettoyage du dudgeon après chaque opération • remontage suivant Le serrage des boulons peut se faire au "boit tensionner". •

5- DÉGRADATIONS TYPES TROUVÉES À L'OUVERTURE DES ÉCHANGEURS Calandre : • • • • •

corrosion généralisée par cratère du couvercle, profondeur 1,5 à 2 mm, ou en partie basse corrosion par piqûres au niveau de is génératrice inférieure corrosion légère au droit des chicanes portée de joint détérioré piquages corrodés

Travaux cons écutifs à ces dégradations • • • •

suivi des corrosions par cratères (d'une ouverture à l'autre) réusinage des portées de joint avec rechargement de la plaque sablage interne de la calandre (visite officielle) resurfaçage de la portée de joint de calandre

Faisceau

corrosion bactérienne portée de joint de tête flottante en mauvais état (serrage précédent) corrosion aux extrémités de tubes --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------103 Préparé par Mr :A.MENIDJEL • • •

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corrosion par cratères des plaques tubulaires demi-lunes déformées (serrage précédent) corrosion par piqûres des tubes déchaussement des extrémités de tubes + forte corrosion plaques tubulaires détérioration des feuillards latéraux

Boîte de distributio n • • • • • • •

remplacement des deux demi-lunes corrosion généralisée par cratères soudure des piquages inférieurs et supérieurs corrodés soudures des cloisons corrodées mauvais état des portées de joint cassure des soudures des cloisons déformation de la cloison, plus perte d'épaisseur

Travaux cons écutifs à ces dégradations • • • • • • •

retubage complet ou partiel (quelques tubes ou une passe au total) réusinage des portées de joint redressage des cloisons et/ou rechargement, puis réunissage réparation des piquages remplacement de tiges filetées sablage de la B.D. remplacement de la cloisons centrale + recuit

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