Introduction à La Distillation

Laboratoire Catalyse & SpectrochimieLaboratory Catalysis & Spectrochemistry

ENSICAEN, Universit de Caen, CNRS6 bd du Marchal Juin, 14050 Caen, France

http:/www-lcs.ensicaen.fr

Jean-Pierre GILSONTl.: 02.31.45.28.15 email: [email protected]

Introduction la Distillation2CAD2: CM = 10

IntroductionProcds de Sparation

But du Cours

JPG, 2CAD2, 2012-132

Laboratoire (Batch)

Industrie(Batch + Continu)

Taille: : ~15 m x H: 50 mDbit: ~160 000 b/j, i.e. 25 400 m3/j

E. Sorel, La Rectification de lAlcool, 1893

Plan du Cours Procds de Sparation

I. Introduction: Ncessit, types de sparations, Labo vs. Industrie,II. Aspects de la distillation: Bilan matire, nergie, phnomnes de transport

quilibres Liquide - VapeurI. ThermodynamiqueII. Simulations des quilibres

Distillation Flash & ContinueI. Distillation FlashII. Distillation ContinueIII. Phnomnes de TransportIV. quipement

Conception & Utilisation de ColonnesI. Bilans MatiresII. Temprature de TteIII. Temprature de FondIV. Temprature dAlimentationV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux (MacCabe-Thiele)

Applications en Raffinage PtrolierI. Distillation atmosphriqueII. Distillation sous vide

JPG, 2CAD2, 2012-133

Bibliographie1. E. Sorel, La Rectification de lAlcool, (1894), Gauthier-Villars et fils, Paris

2. J-P. Wauquier, Le Raffinage du Ptrole 2. Procds de Sparation, (1998), ditions Technip, Paris

3. J. Vidal, Thermodynamique: Application au Gnie Chimique & lIndustrie Ptrolire, (1997), ditions Technip, Paris

4. D. Morvan, Les Oprations Unitaires, (2009), Ellipses Marketing, Paris

5. J. Gmehling, B. Kolbe, M. Kleiber & J. Rarey, Chemical Thermodynamics for Process Simulation, (2012), Wiley-VCH, Weinheim

6. H. Kister, Distillation Design, (1992), McGraw-Hill, New York

7. P.C. Wankat, Separation Process Engineering, 3rd ed., (2011), Prentice-Hall, Upper Saddle River

8. J. D. Seader & E. J. Henley, Separation Process Principles, (1998), J. Wiley & Sons, Chichester

9. M. Chabanel & B. Illien, Thermodynamique Chimique, (2011), Ellipses, Paris

10. J.M. Prausnitz, R.N. Lichtenthaler & E. Gomez de Azevedo, Molecular Thermodynamics of Fluid-Phase Equilibria, 3rd ed., (1999), Prentice-Hall, Upper Saddle River

11. W. McCabe, J. Smith & P.Harriott, Unit Operations of Chemical Engineering, 7th ed., (2004), McGraw-Hill, New York

12. R.H. Perry & D.W. Green, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 8th ed., (2008), McGraw-Hill, New York

JPG, 2CAD2, 2012-134

Logiciel Base de Donnes

1. ChemSep (www.chemsep.com): Gratuit en version lite. Effectue toutes les oprations dcrites dans ce cours

2. Dortmund Data Bank (www.ddbst.de):Base de donnes thermodynamiques et logiciel accessible gratuitement (versions explorer et acadmique lite)

JPG, 2CAD2, 2012-135

Procds de SparationI. Introduction

Sparations: Pourquoi ?a. Fractionner: nenvoyer vers des units industrielles que les coupes ncessaires

b. Recycler: les procds de conversion (catalytique) nont pas toujours une conversionmaximum et la slectivit dsire; on recycle ce qui nest pas aux spcifications

c. Purifier: les oprations en aval ont des exigences (contaminants, polluants) surleurs charges

JPG, 2CAD2, 2012-136

a. & c. b.


Sparations: Comment ?

JPG, 2CAD2, 2012-137L = Liquide, V = Vapeur, G = Gaz, S = Solide


Sparations: Utilisation & Maturit

JPG, 2CAD2, 2012-138


JPG, 2CAD2, 2012-139

P

t

r

o

l

e

B

r

u

t

(

F

r

a

c

t

i

o

n

a

t

i

o

n

n

e

r

)

Produits (Purifier)Procds (Recycler)


Capacits de Distillation de Ptrole BrutRaffinerie Location Barrels per Day*

Jamnagar (Reliance Industries Limited)

Jamnagar, India 1 240 000

Paraguana (PDVSA)Paraguan, Falcon, Venezuela

940 000

Ulsan (SK Energy) Ulsan, South Korea 850 000

GS Caltex Yeosu Refinery (GS Caltex)

Yeosu, South Korea 730 000

ExxonMobil Singapore 605 000

Port Arthur (Motiva Enterprises, i.e.RD Shell & Saudi Aramco)

Port Arthur, Texas, USA 600 000

Baytown (Exxon Mobil) Baytown, TX, USA 572 500

Ras Tanura (Saudi Aramco) Saudi Arabia 550 000

S-Oil Ulsan (S-Oil) Ulsan, South Korea 503 000

Marathon Oil (Marathon Petroleum)

Garyville, LA 490 000

Pernis (RD Shell) Pernis, Pays-Bas 416 000

Antwerp (Total) Anvers, Belgique 360 000

Normandie (Total) Gonfreville, France 205 000JPG, 2CAD2, 2012-1310 *: 1 barrel = 159 l; par 6,25 pour convertir en m3

Procds de SparationII. Aspects de la Distillations

Distillation: Paramtres ? Sparation par EQUILIBRE: Thermodynamique & Transfert de Matire

Sparation par CHAUFFAGE: Thermodynamique & Transfert de Chaleur

Fonctionnement en CONTINU: Bilan & Transfert de Matire

Dimension INDUSTRIELLE: Intgration sur site, Contrle, conomie

JPG, 2CAD2, 2012-1311

Complexit !

quilibres Liquide - VapeurI. Thermodynamique

1. Rappel de Formules: Corps Pur: Soit la transformation T & P constantes dans un systme ferm

Evolution ( ) si dGTot < 0, soit i > i

Equilibre entre phases si dGTot = 0, soit i = i, i.e. galit des i de

chaque composant i dans toutes les phases.

Relation de Clapeyron:

Clausius-Clapeyron:

Mlanges:

Loi de Dalton (Gaz Parfaits):

Loi de Raoult (Solution idale):

Loi de Henry (Solution idale dilue):

JPG, 1MA1C1, 2012-1312

i

i+dni

-dni

Nombre de variables - contraintes 2 pour T & PEquations chimiques indpendantes Autres conditions imposesConstituants Phases

Degrs de Libert

( c r00 2

: k 2) n Variance v= + 1=1

dP HdT T V

=

0

00

ln P HP R T T

1 1=

et .Tot i i i Toti

P P P y P= =*

.A A AP x P=

.A A AP x K=

quilibres L - VI. Thermodynamique

2. Corps Pur (ex. CO2)

JPG, 2CAD2, 2012-1313

Volume Molaire (intensif)


2. Corps Pur (ex. H2O)

JPG, 2CAD2, 2012-1314


2. Corps Purs: H2O

JPG, 2CAD2, 2012-1315

Courbe de tension de vapeurPointTriple PointCritique

Chaleur Sensible

Chaleur Latente

Dpenses & Pertes nergtiquesDistiller est Energivore !

1 23 4


3. Mlanges Binaires: xi yi: sauf dans le cas dun Azotrope (+ ou -) avec:

xi fraction molaire de i en phase liquide

yi fraction molaire de i en phase vapeur

zi fraction molaire de i (phase liquide + vapeur)

JPG, 2CAD2, 2012-1316

Bulle

Rose

Ligne Conodale

( )0 0 0 .B BA AP P P P x= + +( )

0 0

0 0 0.

.

BA

BA A A

P PPP P P y

=

+


3. Mlanges Binaires: Diagramme T-H: les lignes isothermes courbes des T-H des constituants

Evolution de T en fonction de la Chaleur absorbe

JPG, 2CAD2, 2012-1317

Corps Pur : n-Butane Mlange Binaire

OA (A, A): le liquide chauffe (Chaleur Sensible)AB (AB, AB): vaporisation (Chaleur Latente) Remplacement des paliers par des courbes


JPG, 2CAD2, 2012-1318

Principe de la Distillation (Batch)

T1: T1 < TbA&B, x1 = x2T2: bullition commence,composition de la vapeur(distillat), enrichie en B est y2

T3: T3 > TbB & T3 < TbA, x1 = x2La vapeur (distillat) est enrichie enB et les compositions x3 & y3 sedplacent vers la droite p/ T2

T4: T4 = TbA, x1 = x2La dernire goutte de liquide sevaporise et sa composition, y4, est Apur

A & B purs: une dtapes (Plateaux) est ncessaire. Plus facile de mlanger que de sparer ! La composition de la vapeur (distillat) change goutte goutte, de y2 y4 A la fin de la distillation, la composition du distillat est identique la solution de dpart


Rgle du Levier

JPG, 2CAD2, 2012-1319

- Systme binaire de composition 1

- A la Tconodale, la composition est: liquide: 2 vapeur: 3

- Rgle du levier:

Vapeur iciLiquide 0,25ab=


Principe de la Distillation Fractionne

JPG, 2CAD2, 2012-1320

Dpart:xA = 0,8 & xB = 0,2

R = RsiduD = Distillat


JPG, 2CAD2, 2012-1321

Principe de la Distillation Fractionne - Rsum: E = A+B+C+D

Distillation en 4 Plateaux

B concentr en D4: xB = 0,2 0,8

A concentr en R1: xa = 0,8 0,95

R2 & R3 intermdiaire, peu utiles

Sparation totale: Plateaux ! (Plus facile de mlanger [S ] que de sparer [S ])

Rendements + Succession dtapes de Chauffe/Refroidissement !


En pratique au Laboratoire: Colonne de Fractionnement (Vigreux)

JPG, 2CAD2, 2012-1322


JPG, 2CAD2, 2012-1323

En pratique: Fractionnement (Rectification) Discontinu

DFINITIONSDistillatVapeur condense enrichie en llment le plusvolatil

Rsidu (Fond)Reste du bouilleur, appauvri en compos le plusvolatil

BILANS MATIREGlobal

F = W +D1 +D2 +D3 + Pertes

Composant VolatilFxf = Wxw + D1xd1 + D2 xd2 + Dxd3 +Pertes

VARIABLESTaux de Reflux


Cas des Mlanges Azotropiques:

On butte sur lAzotrope !

Formellement: de 2 Mlanges: A-Az + B-Az

JPG, 2CAD2, 2012-1324


JPG, 2CAD2, 2012-1325

AZEOTROPES: Composition Liquide (x) vs. Vapeur (y)

Diagramme de McCabe-Thiele


Rsum: Idal Dviation - Azotropie

JPG, 2CAD2, 2012-1326


Rsum: Azotropie

JPG, 2CAD2, 2012-1327


JPG, 2CAD2, 2012-1328

4. Mlanges Ternaires:

Donnes dquilibre reportes sur un Triangle quilatral

Chaque point dans le triangle (R, S) y/c artes (L, P, Q) & sommets (A, B, C) reprsente une composition du mlange

La des longueurs des abaisses dun point intrieur (eg. R) sur les 3 cts est gale la hauteur du triangle = Cste

Pour chaque point: xA + xB + xC = Cste

LMNO-OPQ : Courbe (binodale) de Saturation ou Envelope de Solubilit de ABC, i.e. dlimite la zone dimmiscibilit R: lintrieur de la zone dimmiscibilit; se scinde en 2

phases de composition M & P (ligne dquilibre ouconodale)

O: Point Critique ou Point de Plissement (Plait Point) de la binodale

Calculs de VARIANCE !


5. Mlanges Complexes: les charges & produits ptroliers contiennent une grandevarit dhydrocarbures (P, N, A, O) de poids molculaire trs variable (C1C100+).Lapparition de charges renouvelables (biomasse) va encore complexifier la situation(oxygns). Il est inconcevable de connaitre la nature chimique de chaque constituant.

JPG, 2CAD2, 2012-1329

PI = TBulle

PF = TRose

On peut recueillir a & b ~pursOn recueille des coupes entre Tx-Ty*

TxTy

*: on ne peut plus recueillir a, b, c, d, purs


Mthodes dvaluation des Mlanges complexes: Mthodes standardises (ASTM, ISO, API) qui sont soit rapides et peu prcises ou lentes et (plus) prcises

Mthode Distillation Flash (FC*): sparation la plus simple, un plateau (routine) - *:Flash Curve

JPG, 2CAD2, 2012-1330

Discontinu (Batch) ou Continu (F, z) La charge est chauffe sous PZ, une TZ1 Dtente (isenthalpique)dans le Ballon de Flash (Flash Drum) Vapeur enrichie en volatils & Liquide enrichi en lourds On rpte une nouvelle TZ2 et sous PZ On peut recommencer une P diffrente


JPG, 2CAD2, 2012-1331

Mthode Distillation Flash (FC): On peut mettre en CASCADE (Srie) des Ballonsde Flash P (ou T) constante pour amliorer les sparations Consommation dEnergie !

Diagramme T, x dj rencontr Meilleure sparation car plus de plateaux Cot important: Chauffer & Refroidir Retenons le principe !

P = Constante


Mthode True Boiling Point (TBP): Sparation plus longue, plus prcise

JPG, 2CAD2, 2012-1332


Comparaison True Boiling Point (TBP): mlange 4 Constituants vs. Ptrole Brut

JPG, 2CAD2, 2012-1333


Slectivit (S) de Sparation: Overlap & Gap des Mlanges complexes

JPG, 2CAD2, 2012-1334

a: courbe TBP dun mlange binaire

S = 1

b: courbe ASTM dun mlange binaire

S =


Slectivit (S) de Sparation: Overlap & Gap des Mlanges complexes

JPG, 2CAD2, 2012-1335

c: Courbe ASTM dun Brut PtrolierS = Overlap

d: Courbe ASTM dun Brut PtrolierS = Gap


Comparaisons FC, ASTM & TBP

JPG, 2CAD2, 2012-1336

TBP: Sparation plus prononce (TTBP > TFC ) et donc de meilleure qualit


Distillation Simule: Analyse Chromatographique en Phase Gaz

JPG, 2CAD2, 2012-1337

talonnage par n-paraffines de Tb connues La colonne GC spare par Tb Mesurer laire entre 2 paraffines Reporter sur un diagramme T = f(% Distill) ASTM D 2887: fractions dont Tb < 538C ASTM D 3710: fractions dont Tb < 250C

Remarque:- Il nest pas encore possible danalyser compltement

(molculairement) les fractions ptrolires- Mme si cela tait possible, la quantit disomres

obtenus ncessiterait un regroupement par familles(lumping)

quilibres Liquide - VapeurII. Simulation

JPG, 2CAD2, 2012-1338 Chemistry Data Series, Dechema

Distillation ContinueI. Distillation Flash

1. Rsultat Dsir: en continu !

JPG, 2CAD2, 2012-1339

F (Feed)z (Composition)Pi (Pressure)Ti (Temperature)

FD (Distillate)x (Composition)PDi (Pressure)TDi (Temperature)


2. Distillations Flash en cascade rarranges:

JPG, 2CAD2, 2012-1340

T


JPG, 2CAD2, 2012-1341

3. Cascades de Flash P Constante

Botes Bleues Ballons de Flash Liquide : doit tre rchauff Vapeur : doit tre refroidie

L & V changent Chaleur changeur de Chaleur

L & V changent Matire Exit changeur de Chaleur

Systme en mouvement: Condenser une partie de V1 & Recycler Vaporiser une partie de L5 & Recycler

+ Volatil

- Volatil


4. Distillations Batch: Rectification & Stripping

JPG, 2CAD2, 2012-1342

Rectification Seuls les composs lgers sont rcuprs eg.: Production dalcools (Calvados)

Stripping Seuls les composs lourds sont rcuprs eg.: Enlever de (petites quantit de) solvant Peu utilis industriellement (casser des

azotropes par ajout dun 3ime composant eg.: MeOH/Tol + Et3N)

Distillation ContinueII. Distillation Continue

1. Description: Nous venons de dcrire le Principe de la Distillation Continue !

http://www.hyper-tvt.ethz.ch/distillation-scheme.phpJPG, 2CAD2, 2012-1343

TColonne


1. Description: Instrumentation & Rgulation de la colonne

JPG, 2CAD2, 2012-1344


2. Bilans Matire & Thermique: Tour de Stabilisation d essence Charge: Essence (Gasoline) ~ C5-10 - Essence Brute: contient encore du C3-4 Stabilisation: Distiller Essence Brute (14,34 t/h)

Distillat: C3-4 , Essence Sauvage (4,32 t/h)

Rsidu: C5-10 , Essence Stabilise (10,02 t/h) Base pour Carburant (Spcification RVP)

JPG, 2CAD2, 2012-1345

Bilan Thermique- Chaleur reue

Enthalpie dalimentation Chaleur fournie par le rebouilleur Enthalpie du reflux froid

- Chaleur extraite Enthalpie des vapeurs de tte (D + Reflux) Enthalpie du Rsidu


Schma:

JPG, 2CAD2, 2012-1346

Corps

Cls

d & e: Corps cls de la Sparation


3. Rglage dune colonne: Tour de Stabilisation d essence a) But de la Stabilisation:

Ajuster la tension de vapeur de lessence stabilise la norme en vigueur (Reid Vapor Pressure)

Veiller ce que lessence sauvage ne contienne pas de C5

b) Moyens disponibles:

Tour de Stabilisation permettant de ttaiter un certain Dbit horaire de charge

Pression peut tre ajuste

Temprature peut tre ajuste

Taux de Reflux peut tre ajust

c) Influence de P

PMIN : Le Distillat doit pouvoir tre condens totalement la T de leau de refroidissement disponible dans le condenseur (Tension de vapeur de l essence sauvage ~30C : 10 kg/cm2, i.e. 9,8 bar

Si la pression dopration est > PMIN, les TBULLE augmentent et donc la TTOUR donc, peu de libert au niveau de P

JPG, 2CAD2, 2012-1347


3. Rglage dune colonne: Tour de Stabilisation d essence d) Influence de T: - TTETE, T en tte de tour rgle la qualit du produit de tte, le Distillat (essence

sauvage). Ces vapeurs sont en quilibre avec le liquide du premier plateau, donc la TROSEE. Enagissant sur cette T, on agit sur la composition du Distillat

T : le Distillat salourdit (senrichit en produits moins volatils); son point sec T: le Distillat sallge (sappauvrit en produits plus volatils); son point sec Rglage de la TTETE: en agissant sur le dbit de reflux froid qui, extrayant plus ou

moins de calories au systme, fait varier TTETE Qualit de lessence sauvage

- TFOND, T en fond de tour, rgle la qualit du produit de fond , le Rsidu (essence stabilise). Ce liquide est en quilibre avec la vapeur du dernier plateau, donc la TBULLE. En agissant sur cette T, on agit sur la composition du Rsidu

T : le Rsidu salourdit, sa teneur en butane diminue; sa tension de vapeur T: le Rsidu sallge, sa teneur en butane augmente; sa tension de vapeur Rglage de la TFOND: en agissant sur le dbit de produit chauffant (eau en

gnral) dans le rebouilleur

JPG, 2CAD2, 2012-1348


3. Rglage dune colonne: Tour de Stabilisation d essence e) Influence du Reflux: La chaleur fournie au systme provient du rebouilleur. Elle sert chauffer (chaleur sensible), vaporiser (chaleur latente) le produit distiller et vaporiser le reflux froid inject en tte de tour.

Reflux: extrait du systme une quantit de chaleur excdentaire p/ quantitncessaire au chauffage & vaporisation du distillat. Comme TTETE (= TROSEE) &TFOND (= TBULLE) sont constantes, le dbit du reflux est variable variation du fluxde calories fourni par le rebouilleur

Reflux externe & interne: permet le transfert de matire (lavage des vapeurs) etde chaleur. Cest la cl du Fractionnement.

Taux de Reflux: L/D permet de contrler la Slectivit et le nombre dtages dela Distillation

JPG, 2CAD2, 2012-1349

Normand, Fig. 26 & 27, p. 149


3. Rglage dune colonne: Tour de Stabilisation d essence e) Influence du Reflux:

JPG, 2CAD2, 2012-1350

L0: Reflux externe, dbit molaireL: Reflux interne (Rectification)L: Reflux interne (Strippage: L + LA)

+ riche en V

+ riche en L


Exemple industriel: Dbutaniseur

JPG, 2CAD2, 2012-1351


Exemple industriel: Dbutaniseur

JPG, 2CAD2, 2012-1352

Distillation ContinueIII. Phnomnes de Transport

1. Types de Phnomnes - Gnralisation Matire - Loi de Fick (2ime) :

Chaleur - Loi de Fourier:

Impulsion - Loi de Newton:

En commun: Transport dune quantit physique (Matire, Chaleur, Impulsion) travers ungradient (Concentration, Temprature, Vitesse linaire) afin dliminer ce dernier.

2. Transport de Matire2 mcanismes sont responsables du transport de matire:

Diffusion Molculaire: mouvement spontan scopique dans une phase donne (g, l, s); ilest assez lent. Voir ci-dessus

Diffusion Turbulente: mouvement macroscopique alatoire dun fluideLa Diffusion Molculaire entre 2 phases (g, l) joue un rle important en distillation. Elle se passe linterface des 2 phases et conditionne les choix dquipements.

Les coefficients de Diffusion Molculaire [cm2/sec] sont de lordre de: Gaz: Di = 10-1

Liquides: Di = 10-5

Solides: Di = 10-10 - 10-13

JPG, 2CAD2, 2012-1353

2C Ct

D =

2T Tt

=

2uu

t =

CCCC: ConcentrationDDDD: DiffusivitTTTT: Temprature: Conductivit thermiqueuuuu: Vitesse linaire: Viscosittttt: Temps

2 2 222 2 2

Laplacienx y z = + + =

Distillation ContinueIII. Phnomnes de Transport

3. Combinaison Transport de Matire & Chaleur

Phnomnes complexes (Turbulences): Fick & Newton ( linaires ) se compliquent

Introduction de Flux (J), coefficients de transfert (k, Matire & Chaleur) et corrlations

(nombres sans dimensions, e.g. Re), plus utiles Gnie Chimique

Qualitativement: en distillation, on va favoriser les changes, contacts (Matire Ji &

Chaleur JqL, JqV) dans les films (L & V) lInterface L/V

JPG, 2CAD2, 2012-1354

TCol

, ChaleurMatire, , ,

Gradient de , Coefficient de Tr Concenansfert Tempraturetration

Interfac.( ).( )eq q TM M CJ k=

Distillation ContinueIV. Equipements

1. Rle Effectuer le plus efficacement possible le transfert de matire et de chaleur entre les

phases liquide & vapeur; ces transferts se passent aux interfaces et les quipement devront favoriser ltendue de celles-ci. En particulier, les quipements favoriseront:

temps de contact entre les phases

mlange appropri

2. Types de Colonnes Colonnes Plateau (TRAY):

JPG, 2CAD2, 2012-1355

Qualitatif ! Mtier de lIngnieur: rendre ces termes QUANTITATIFS

L & G scoulent contre-courant ou courant crois Colonne peut travailler sous Pression changes de Matire (& Chaleur) seffectuent sur des plateaux (Trays)

Contre-Courant Courant Crois


Colonnes TRAY: Types de plateaux

Valve Plate Sieve Plate

Bubble (Bell) Cap Plate

JPG, 2CAD2, 2012-1356

Ouverture variable Fonction de la vitesse ascendante du Gaz Se ferme si le flux gazeux est trop faible Empche le liquide de descendre trop rapidement

vers ltage infrieur

Ouverture fixe Turbulence accrue


JPG, 2CAD2, 2012-1357


Colonnes TRAY: Comparaisons

JPG, 2CAD2, 2012-1358


Colonnes Remplies (Packed):

JPG, 2CAD2, 2012-1359

L & G scoulent contre-courant Colonne peut travailler sous Pression changes de Matire (& Chaleur) seffectuent

sur les structures de remplissage (Packings)


PACKED Columns: Comparaisons

JPG, 2CAD2, 2012-1360


TRAYS vs. PACKED Columns: Comparaisons

JPG, 2CAD2, 2012-1361

TRAYS PACKED

Moins cher pour de petites colonnes ( < 0,6 m) Packings en cramique rsistent mieux aux

milieux corrosifs Moussage plus controllable

Fentre dopration plus troite Nettoyage difficile et coteux si contamination

par des particules solides lments assez fragiles lors de stress en T ou P

Consulter, par exemple:

- SULZER: http://www.sulzer.com/en/Products-and-Services/Separation-Technology/Distillation-and-Absorption/Distillation- KOCH-GLITSCH: http://www.koch-glitsch.com/masstransfer/pages/Products.aspx

Conception & Opration dune Colonne

Cahier des Charges Pour:

Concevoir (Design) de nouvelles colonnes

Conduire (Operate) des units existantes

Rparer/Corriger (Troubleshooting) des dysfonctionnements

Nous avons besoin de:

Bilans Matires

Temprature de Tte de Colonne

Temprature de Fond de Colonne

Temprature dAlimentation

Taux de Reflux & Nombre de Plateaux Mthode de McCabe-Thiele

Pour:JPG, 2CAD2, 2012-1362

Conception & Opration dune ColonneI. Bilans Matires

Colonne: Rectification dEssence Sauvage (cf. Distillation Continue) Charge: Essence Sauvage , i.e., Propane & Butane sous P = 20 bar

Propane: 35 vol %

Butane: 65 vol %

Spcifications de la Sparation:

Propane: < 1 vol % Butane

Butane: < 2 vol % Propane

Soient:

F: nombre de molcules dAlimentation (posons 100 molcules)

D: nombre de molcules de Distillat (Propane < 1 vol % Butane)

W: nombre de molcules de Rsidu (Butane < 2 vol % Propane)

zF: fraction molaire dun composant dan l Alimentation

xD: fraction molaire dun composant dan le Distillat

xW: fraction molaire dun composant dan le Rsidu

Bilan Global: D + W = F

Bilan par compos: D.xD + W.xW = F.zF = 100.zFo Propane: D.0,99 + W.0,02 = 100 x 0,35

o Butane: D.0,01 + W.0,99 = 100 x 0,65

ce qui donne: D = 34,02 & W = 65,98JPG, 2CAD2, 2012-1363

Conception & Opration dune ColonneI. Bilans Matires

Colonne: Rectification dEssence SauvageOn dresse ainsi le tableau suivant:

JPG, 2CAD2, 2012-1364

Alimentation Distillat Rsidu

F.zF zF D.xD xD W.xW xW

Propane 35 0,35 33,68 0,99 1,32 0,02

Butane 65 0,65 0,34 0,01 64,66 0,98

Bilan 100 1,00 34,02 1,00 65,98 1,00

Conception & Opration dune ColonneII. Temprature de Tte

Colonne: Rectification dEssence Sauvage: TTte = TRose du Distillat sous P = 20 bar ( cet endroit, vapeurs de D liquide du 1ier Plateau; ce Liquide= D aliment en reflux aprs condensation)

Raoult

TRose : v l, donc:

et:

que lon vrifie par approximations successives (rappel: P = 20 bar)

JPG, 2CAD2, 2012-1365

( )Pression du mlange Fraction Molaire du compos le + lger, A

A BP P x P x= + 1

( ) ( )

I Ivapeur, Aliquide,

I

A

.

. . ou et ( ) ( ) ou A BA B

Px x x x

PP P P Pyy yP P

y= = 1 = 1 1 = 1

.I II 1 ( ) ou encor au point de Roe: s e, T

BA

i

AR

K

iB

K

osei

PyP

yP KP y

1 1

=1+ = = + 1

TRose = 60C TRose = 55C

y K y/K y K y/K

Propane 0,99 1,1 0,9 0,99 1,01 0,98

Butane 0,01 0,54 0,02 0,01 0,51 0,02

0,92 1,00

Conception & Opration dune ColonneIII. Temprature de Fond

Colonne: Rectification dEssence Sauvage: TFond = TBulle du Rsidu sous P = 20 bar TBULLE: l v; la composition de cette vapeur:

et:

On procde de mme que prcdemment:

JPG, 2CAD2, 2012-1366

( )

vapeur, Aliquide, AII

I

. et .A BP Py x y xP P

= 1 = 1

( ) ( )I II ou . et en posant K: K . . . ou A B A B i ii

P Px x x K x

PK

Px+ =1 + 1 =1 + 1 = =11

TBulle = 100C TBulle = 98C

x K K.x x K K.x

Propane 0,02 1,75 0,035 0,02 1,70 0,034

Butane 0,98 1,00 0,98 0,98 0,99 0,970

1,015 1,004

Conception & Opration dune ColonneIV. Temprature dAlimentation

Colonne: Rectification dEssence Sauvage: linstallation est telle que la TAlimentation = 75C. Cette T est-elle > ou > TBulle de lAlimentation ?

On essaie TBulle = 85C qui est la TTte

K.x = 1,025 est proche de 1, donc TBulle de lAlimentation ~85C

A 75C et sous P = 20 bar, la Charge est Liquide

JPG, 2CAD2, 2012-1367

x K K.x

Propane 0,35 1,45 0,505

Butane 0,65 0,80 0,520

1,025

1. Introduction: la Slectivit de la Sparation est lie au Taux de Reflux & au Nombre de Plateaux. De nombreuses mthodes existent. Pour les Mlanges binaires, celle de McCabe-Thiele est la plus utilise

Warren Lee McCabe (1899 - 1982) & Ernest W. Thiele (1895 1993): 2 tudiants en Master & Doctorat au MIT (Chemical Engineering) en 1925

Autres Mthodes:

Ponchon-Savarit (plus rigoureuse mais plus difficile)

Mthodes numriques lquilibre (MESH): rsolution simultane des quations de:

M: Bilans Matires

E: Relations dquilibre entre lments finis en quilibre ( Stages )

S: Sommes sur les fractions molaires, i.e. forcer:

H: Bilans nergtiques & Enthalpiques (H)

Mthodes hors-quilibre (MERSHQ):

R: Transferts de Matire & Energie

Q: quations dquilibres

JPG, 2CAD2, 2012-1368

Conception & Opration dune ColonneV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux McCabe-Thiele

ii

x =1

Stages

hors-quilibre quilibre


1. Introduction: Caractristiques & Limitations de la Mthode de McCabe-Thiele:

Calcul du nombre de plateaux thoriques pour la sparation de mlanges binaires

Solution graphique base sur les diagrammes dquilibre (x-y), trs visuelle

Acceptable pour de nombreuses applications, populaire par sa simplicit (~couteau Suisse)

Valeur pdagogique, en brainstorming (remue-mninge) & on vite la Black-Box !

Manque de riguer d, inter alia, la non-utilisation des bilans enthalpies

P est suppose constante le long de toute la colonne

Base sur les hypothses de Lewis:

JPG, 2CAD2, 2012-1369


2. Hypothses de Lewis: - suppose Dbits Molaires des Flux Saturs Constants- implique Taux de Reflux & Rebouillage Constants

- valides si volatilits proches & mme famille chimique

- permet dliminer les quations de bilan enthalpiques

JPG, 2CAD2, 2012-1370

L L0L L + A

Taux de Reflux = L0/D = Cste

V V0V V +VA Taux de Rebouillage = V0/R = C

ste

Vo

Re

ctificatio

nE

pu

isem

en

t


3. Principe de la Construction Graphique de McCabe-Thiele:a) Donnes ncessaires:

Caractristiques de la Charge A, zA et son tat de vaporisation: VA & LA

Spcifications de la Sparation: xD & xR

quilibres l,v du Mlange trait sous la Pression opratoire (suppose constante) par le diagramme y x

Le taux de Reflux rf = L0/D

Ensuite on procde par tapes:

Zone de Rectification

Zone dpuisement (Stripping)

Combinaison des zones de Rectification & puisement

Zone dAlimentation

JPG, 2CAD2, 2012-1371


3. Principe de la Construction Graphique de McCabe-Thiele:b) Bilan en Zone de Rectification: en Tte de Colonne: y1 = xD si condenseur total

JPG, 2CAD2, 2012-1372

les quations de bilans liant les flux liquide etvapeur entre 2 plateaux p & p+1 scrivent:

V = L + D (avec L = L0)Vyp+1= Lxp+ DxD

soit:

si rf est fix, les dbits liquide et vapeur sontdtermins

Rectification Operating Line - Droite Bilan de Rectification, D

1

BR

1 avec , ,

et

D Dp p f

f Dp p

f f

p pL Dx L L Dxy x r y xV V D L D

ry x

r

Dx

r

L+ +

+1

= +

= ++1 +

+

1

= =

+ +


3. Principe de la Construction Graphique de McCabe-Thiele:b) Bilan en Zone de Rectification: Rectification Operating Line Droite Bilan de Rectification

JPG, 2CAD2, 2012-1373

La DBR:

- Passe par x = y = xD

- Pente:

- Ordonne lorigine:

ou f

f

r Lr V+1

D

f

x

r +1rf Reflux ~ total

(Distillation des livres de CP)

rf = 0aucun Reflux


3. Principe de la Construction Graphique de McCabe-Thiele:c) Bilan en Zone dpuisement (Stripping):

JPG, 2CAD2, 2012-1374

les quations de bilans liant les flux liquide etvapeur entre 2 plateaux q-1 & q et p+1 scrivent:

V = L + RLxq = Vyq-1+ RxR

soit:

si rb est fix, les dbits liquide et vapeur sontdtermins

Stripping Operating Line - Droite Bilan d'Epuisement, DBE

' ' '

,avec ,' ' ' '

et, b R

R R

q qb

q q b q

b

qL Rx V V R Rx

r

y x r

xy xr r

y xV V R V V1

1

1+1

+

=

= = =


3. Principe de la Construction Graphique de McCabe-Thiele:c) Bilan en Zone dpuisement (Stripping): Stripping Operating Line Droite Bilan d puisement

JPG, 2CAD2, 2012-1375

La DBE:

- Passe par x = y = xR

- Pente:

- Ordonne lorigine:

b

b

r

r

+1

R

b

x

r

Conception & Opration dune ColonneV. Taux de Reflux & Nombre de Plateaux McCabe-Thiele3. Principe de la Construction Graphique de McCabe-Thiele:

d)Raccordement des 2 Droites de Bilan: lintersection des droites bilans de Rectification (DBR) & dpuisement (DBE) possde des proprits remarquables

pour yp+1, yq1 et xp, xq on a:

et:

JPG, 2CAD2, 2012-1376

: '

( ) (2)

:

'

DBD R

EB D

RV y L x Ry Dx

x

V Lx= +=

1

( ) ( )PENTE

( ) - (2) ' ' , soit: ( -line) V ou encore: D R A A A A AA A

V V y L L x Dx Rx y L x Az qL Azy xV V

1 = + + = + = +

DBR & DBE ne dpend que de lAlimentation ! passe par x = zA & y = zA

sa pente, -LA/VA , dpend de l tat de vaporisation de la charge

si la charge est o TBulle: VA 0 & LA A, droite VERTICALE

(pente )o TRose : LA 0 & VA A, droite HORIZONTALE

(pente 0)


4. Construction de McCabe-Thiele en pratique:a) Donnes du Problme:

Charge: A, zA, LA & VA (q = LA/LA +VA = f(T), fixe la Droite dAlimentation ou q-line)

Spcifications des Produits: xD & xR qui donnent D & R

Taux de Reflux (rf = L/D): fixer les trafics l (L, L) & v (V, V) dans la colonne + DB

b) Mise en Place des Droites de Bilan (DBR & DBE)

JPG, 2CAD2, 2012-1377

Zone de Rectification Zone dpuisement

xn > xA > xn+1

(xm+1, ym):calculable, vide infra

Spcification

Spcification


c) Remarques:

JPG, 2CAD2, 2012-1378

Dernier Plateau de la Rectification

Premier Plateau de lpuisement

GAP

Position Correcte dAlimentationxn > xA > xn+1

xn+1: 1 Plateau aprs n, xn+1 < LA, AlimentationTBulle (Charge): vapeur pas modifie par lacharge (V = V & yn+1 = ym) GAP 0TRose (Charge): liquide pas modifi par lacharge (L = L) & (xn, ym) sur la DBE

Calcul de ym(xn, yn+1) DBR & (xm+1, ym) DBE

on a en faisant le Bilan Matire des Flux LA & L:

( )' soit : et le point '

, qui d, DBE termine mA

m A A n

nA Am m m

A

L L LL x L x Lx

L x Lxx x y y

L L+1+1 +1

= +

= +

+=

+

JPG, 2CAD2, 2012-1379

a) q > 1 (subcooled l, TR)

Effet de la Composition (l, v) de la Charge

q = fraction molaire de l dans la Charge


- En rsum

!: IN = OUT =

JPG, 2CAD2, 2012-1380

Slope = R/(R+1)

Slope = q/(1-q)

Slope = L/ V

- Toutes ces oprations sont effectues par les logiciels courants (ChemSep)

- On entre les donnes du pb et les approximations

- !: effet black-box


Rvision

Voir:

Tutorial Distillation Basics dans: http://lorien.ncl.ac.uk/ming/distil/distildes.htm

Raffinage Ptrolier (2 vidos): &

JPG, 2CAD2, 2012-1381

Distillation 1.htm Distillation 2.htm

Applications en Raffinage PtolierI. Distillation Atmosphrique

Caractristiques du Raffinage Grande complexit des Charges

Gamme de Tebullition Nature des charges (P, O, N, A)

Ractivit des Charges vs. T

Quantits traiter

Nombreuses coupes Soutirages multiples

JPG, 2CAD2, 2012-1382

Applications en Raffinage PtolierI. Distillation Atmosphrique

Schma Gnral dune raffinerie de Ptrole

JPG, 2CAD2, 2012-1383

Applications en Raffinage PtrolierI. Distillation Atmosphrique

JPG, 2CAD2, 2012-1384

Vue Gnrale

Applications en Raffinage PtrolierI. Distillation Atmosphrique

JPG, 2CAD2, 2012-1385

Applications en RaffinageII. Distillation sous Vide

JPG, 2CAD2, 2012-1386

Ncessit de Distillation sous vide: Ractivit des HC haute Tbullition Si PHC diminue, TEbullition diminue

Augmentation des carts de volatilit

Diminution de la consommation nergtique

Symboles Graphiques

JPG, 2CAD2, 2012-1387

Symboles Graphiques

JPG, 2CAD2, 2012-1388

Equipements & Instruments

JPG, 2CAD2, 2012-1389

Introduction à La Distillation

Documents

Transcript of Introduction à La Distillation